Forskere skaber en ny type intelligent materiale

Intelligente materialer, den seneste revolution inden for materialevidenskab, kan tilpasse deres ejendomme afhængigt af ændringer i deres omgivelser. De kan bruges i alt fra selvhelbredende mobiltelefonskærme, til formskiftende flyvinger, og målrettet levering af lægemidler. Levering af lægemidler til et specifikt mål inde i kroppen ved hjælp af intelligente materialer er særlig vigtig for sygdomme som kræft, da det smarte materiale kun frigiver stoffets nyttelast, når det registrerer tilstedeværelsen af ​​en kræftcelle, efterlader de raske celler uskadte.

Nu, forskere fra Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) ved National University of Singapore (NUS) har skabt en ny klasse af intelligente materialer. Det har strukturen af ​​et todimensionalt (2D) materiale, men opfører sig som en elektrolyt - og kan være en ny måde at levere medicin på i kroppen.

Ligesom traditionelle elektrolytter, disse nye "2D-elektrolytter" dissocierer deres atomer i forskellige opløsningsmidler, og blive elektrisk ladet. Desuden, arrangementet af disse materialer kan styres af eksterne faktorer, såsom pH og temperatur, hvilket er ideelt til målrettet lægemiddellevering. 2D-elektrolytterne viser også løfte om andre applikationer, der kræver, at et materiale reagerer på miljøændringer, såsom kunstige muskler og energilagring.

Teamet bag 2D-elektrolytterne ledes af professor Antonio Castro Neto, Direktør for CA2DM, og omfattede forskere fra CA2DM, samt NUS Institut for Fysik, og NUS Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Deres resultater blev offentliggjort i Avancerede materialer den 12. maj 2021.

Ændring af adfærd for 2D -materialer

Inden for materialevidenskab, et 2D -materiale er et fast materiale, der findes i et enkelt lag af atomer. Det kan betragtes som et atom-tyndt ark, der har en bestemt højde og bredde, men faktisk ingen dybde, derfor, det er i det væsentlige todimensionalt. På den anden side, en elektrolyt er et stof, der producerer en elektrisk ledende suspension, når den opløses i et opløsningsmiddel, såsom vand.

Der findes talrige 2D -materialer i dag, og elektrolytisk adfærd har været veletableret i utallige andre forbindelser. Imidlertid, resultaterne fra NUS -forskerne viser den første forekomst af materialer, der har både 2D -struktur og egenskaber ved elektrolytter, med en særlig tendens til at forme deres form reversibelt i flydende medium. NUS -teamet opnåede denne bedrift ved at bruge organiske molekyler som reaktive arter til at tilføje forskellige funktionaliteter til 2D -materialer, såsom grafen og molybdendisulfid (MoS2).

"Ved at tilføje forskellige kemiske grupper, der bliver positivt eller negativt elektrisk ladede i opløsningsmidler, vi ændrede traditionelle 2D -materialer og fandt på en ny klasse af smarte materialer, der har deres elektroniske egenskaber styret af morfologisk konformation, "forklarede prof. Castro Neto.

De metoder, forskerne brugte til at skabe 2D-elektrolytter, er kun et par mulige eksempler blandt mange potentielle muligheder, gør denne opdagelse til et spændende nyt forskningsområde at udforske.

Fra et fladt ark til en sammenrullet rulle

Et stort gennembrud for denne forskning var, at orienteringen af ​​2D-elektrolytterne kunne ændres reversibelt ved at tilpasse de ydre forhold. I øjeblikket, den elektriske frastødning mellem overfladeladningen i et 2D -materiale fører til, at den lægges i et fladt ark. Ved at ændre pH, temperaturen, eller ionkoncentrationen af ​​suspensionerne NUS-forskerne demonstrerede 2D-elektrolytarkets evne til at forme sig og danne rullelignende arrangementer. Disse eksperimentelle resultater understøttes af detaljeret teoretisk analyse, hvor de forklarer den fysiske mekanisme bag rulledannelsen og stabiliteten.

Disse rulleorienteringer har så lille en diameter, at de kan beskrives som endimensionale (1D), fører til forskellige fysiske og kemiske egenskaber. I øvrigt, denne overgang fra 2D til 1D er reversibel ved at ændre de eksterne forhold tilbage til deres oprindelige værdier

"Man kan tænke på 2D-elektrolytter som de højere dimensionelle analoger af 1D-elektrolytter, almindeligvis kendt som polyelektrolytter, "sagde prof. Castro Neto. Vigtige eksempler på polyelektrolytter omfatter mange biologisk relevante materialer, såsom DNA og RNA.

"Når syrer, baser, eller salte tilsættes, disse elektrisk ladede polymerer undergår også konformationelle overgange fra molekylære kæder, der er 1D, til kugleobjekter med 0D, og omvendt. Vores 2D-elektrolytter, i analogi med polyelektrolytter, vise reversible overgange fra 2D til 1D, som funktion af eksterne faktorer. Som stimuli-responsive materialer, de er egnede til skabelse af avanceret teknologi, " han tilføjede.

Næste skridt

Opdagelsen af ​​denne klasse materialer har åbnet nye områder for efterforskning for materialeforskere, da det samler to forskningsområder, der traditionelt har været koblet sammen, nemlig, 2D materialer inden for fysik, og elektrolytter (inden for elektrokemi).

"Der er et utal af måder at funktionalisere grafen og andre 2D-materialer til at omdanne dem til 2D-elektrolytter. Vi håber, at vores arbejde vil inspirere forskere fra forskellige felter til yderligere at undersøge egenskaberne og mulige anvendelser af 2D-elektrolytter. Vi forventer, at da 2D-elektrolytter har ligheder med biologiske eller naturlige systemer, de er i stand til spontant at samle sig selv og tværbinde til at danne nanofibre, der er lovende til anvendelse i filtreringsmembraner, levering af medicin, og smarte e-tekstiler, "forklarede prof. Castro Neto.