突破性的新型智能材料——从药物输送到储能的许多潜在用途
创建 2D 电解质的团队由 CA2DM 主任 Antonio Castro Neto 教授（右）领导。与他同行的是该开创性出版物的第一作者 Mariana Costa 女士（左）
这些被称为“二维电解质”的智能材料有可能用于从药物输送到能量存储的许多方面。
智能材料是材料科学领域的最新革命，可以根据周围环境的变化调整其特性。它们可用于从自愈手机屏幕到变形飞机机翼和靶向药物输送等方方面面。使用智能材料将药物输送到体内的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时才会释放药物有效载荷，而不会伤害健康细胞。
现在，新加坡国立大学 (NUS) 先进二维材料中心 (CA2DM) 的研究人员创造了一类新的智能材料。它具有二维 (2D) 材料的结构，但表现得像电解质——并且可能是一种在体内输送药物的新方法。
就像传统的电解质一样，这些新的“二维电解质”在不同的溶剂中分解它们的原子，并带电。此外，这些材料的排列可以通过外部因素控制，例如 pH 值和温度，这是靶向药物递送的理想选择。二维电解质还显示出对其他需要材料对环境变化做出响应的应用的前景，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，包括来自 CA2DM、新加坡国立大学物理系和新加坡国立大学材料科学与工程系的研究人员。
他们的开创性成果于 2021 年 5 月发表在著名的《先进材料》杂志上。
改变二维材料的行为
在材料科学中，二维材料是存在于单层原子中的固体材料。它可以被认为是具有特定高度和宽度但实际上没有深度的原子级薄板，因此，它本质上是二维的。另一方面，电解质是一种在溶解在溶剂（例如水）中时会产生导电悬浮液的物质。
通过改变悬浮液的 pH 值，新加坡国立大学的研究人员证明了 2D 电解质片能够卷成卷轴状排列。这类似于带电聚合物从分子链转变为球状物体的方式。图片来源：新加坡国立大学
今天有许多二维材料存在，并且在无数其他化合物中已经很好地建立了电解行为。然而，来自 NUS 研究人员的结果显示了第一个同时具有 2D 结构和电解质特性的材料，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性物种为二维材料（例如石墨烯和二硫化钼 (MoS 2 )）添加不同的功能，从而实现了这一壮举。
Castro Neto 教授解释说：“通过添加在溶剂中带正电或带负电的不同化学基团，我们改变了传统的二维材料，并提出了一类新型智能材料，其电子特性受形态构象控制。”
研究人员用于创建 2D 电解质的方法只是许多潜在选择中的几个可能的例子，使这一发现成为一个令人兴奋的新研究领域。
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可以可逆地改变二维电解质的方向。目前，二维材料中表面电荷之间的电排斥导致它被布置在平板中。通过改变悬浮液的 pH 值、温度或离子浓度，新加坡国立大学的研究人员证明了 2D 电解质片具有变形和形成卷轴状排列的能力。这些实验结果得到了详细的理论分析的支持，其中解释了涡旋形成和稳定性背后的物理机制。
这些涡旋方向的直径如此之小，以至于它们可以被描述为一维 (1D)，从而导致不同的物理和化学性质。此外，这种从 2D 到 1D 的转变是可逆的，通过将外部条件改变回其原始值
“人们可以将二维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相关材料，如DNA和RNA。
“当添加酸、碱或盐时，这些带电聚合物也会发生从 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 的可逆转变，作为外部因素的函数。作为刺激响应材料，它们适用于创造尖端技术，”他补充道。
下一步
发现这类材料为材料科学家开辟了新的探索领域，因为它将传统上不相关的两个研究领域结合在一起，即物理领域的二维材料和电解质（电化学领域）。
“有无数种方法可以使石墨烯和其他二维材料功能化，将它们转化为二维电解质。我们希望我们的工作能够激励来自不同领域的科学家进一步探索二维电解质的特性和可能的应用。我们预计，由于 2D 电解质与生物或自然系统具有相似性，它们能够自发自组装和交联形成纳米纤维，有望用于过滤膜、药物输送和智能电子纺织品，”解释说。卡斯特罗·内托教授。
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