科学家创造了一种新型的智能材料

智能材料是材料科学领域的最新革命，它可以根据周围环境的变化来调整其性能。它们可以用于从自我修复的手机屏幕到变形的飞机机翼以及有针对性的药物输送等所有领域。使用智能材料将药物输送到体内特定目标对于癌症等疾病尤为重要，因为智能材料仅在检测到癌细胞存在时才释放药物有效载荷，而对健康细胞无害。

现在，来自新加坡国立大学(NUS)的高级2D材料中心(CA2DM)的研究人员创造了一种新型的智能材料。它具有二维(2D)材料的结构，但其行为类似于电解质，并且可能是在体内传递药物的新方法。

就像传统的电解质一样，这些新的“ 2D电解质”会在不同溶剂中解离它们的原子，并带电。此外，这些材料的布置可以由外部因素控制，例如pH和温度，这对于靶向药物递送是理想的。2D电解质还显示出其在其他应用中的前景，这些应用要求材料对环境变化具有响应能力，例如人造肌肉和能量存储。

2D电解质背后的团队由CA2DM主任Antonio Castro Neto教授领导，由CA2DM，NUS物理系以及NUS材料科学与工程系的研究人员组成。

他们的结果发表在2021年5月12日的《先进材料》上。

改变2D材料的行为

在材料科学中，二维材料是存在于单个原子层中的固体材料。可以认为它是原子薄的薄片，具有特定的高度和宽度，但实际上没有深度，因此，它实质上是二维的。另一方面，电解质是当溶解在诸如水的溶剂中时产生导电悬浮液的物质。

如今，存在着许多2D材料，并且在无数其他化合物中也已经确立了电解行为。但是，NUS研究人员的结果显示了具有二维结构和电解质特性的材料的第一种实例，并且具有在液体介质中可逆地变形其形状的特殊趋势。NUS团队通过使用有机分子作为反应物种为石墨烯和二硫化钼(MoS2)等2D材料添加了不同的功能性，从而实现了这一壮举。

“通过添加在溶剂中带正电或负电的不同化学基团，我们改变了传统的2D材料，并提出了一类新型的智能材料，它们的电子特性受形态构象控制，” Castro Neto教授解释说。

研究人员用来创建2D电解质的方法只是许多潜在选择中的少数几个可能的例子，这使这项发现成为令人兴奋的新研究领域。

通过改变悬浮液的pH值，NUS研究人员证明了2D电解质片卷成涡旋状排列的能力。这类似于带电聚合物经历从分子链到球形物体的转变的方式。信用：新加坡国立大学

从平板到卷轴

这项研究的一个重大突破是，通过调整外部条件，二维电解质的方向可以可逆地变化。当前，二维材料中的表面电荷之间的电排斥导致将其布置在平板中。通过改变pH值，温度或悬浮液的离子浓度，NUS研究人员证明了2D电解质片变形和形成涡旋状排列的能力。这些实验结果得到详细的理论分析的支持，其中它们解释了涡旋形成和稳定性的物理机理。

这些滚动方向的直径很小，以至于可以被描述为一维(1D)，从而导致不同的物理和化学特性。此外，通过将外部条件改回其原始值，可以从2D过渡到1D，这是可逆的

“人们可以将2D电解质视为一维电解质的高维类似物，通常称为聚电解质，” Castro Neto教授说。聚电解质的重要例子包括许多生物学上相关的材料，例如DNA和RNA。

“当添加酸，碱或盐时，这些带电荷的聚合物还会经历从1D分子链到0D球状物体的构象转变，反之亦然。我们的2D电解质与聚电解质类似，显示出从2D到1D是外部因素的函数。作为刺激响应性材料，它们适合于尖端技术的创造，”他补充说。

发现此类材料为材料科学家开辟了新的探索领域，因为它汇集了两个传统上没有联系的研究领域，即物理学领域的2D材料和电解质(在电化学领域)。

“有无数种功能化石墨烯和其他2D材料以将其转化为2D电解质的方法。我们希望我们的工作将启发来自不同领域的科学家进一步探索2D电解质的性质和可能的应用。我们希望，由于2D电解质与生物或自然系统具有相似性，因此它们能够自发自组装并交联形成纳米纤维，有望应用于滤膜，药物输送和智能电子纺织领域，” Castro Neto教授解释说。

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