纳米粒子凝胶以制造友好的方法将油和水结合在一起

油和水可能不会混合，但在配方中添加正确的纳米粒子可以将这两种不混溶的流体转化为奇异的凝胶，用途范围从电池到水过滤器，再到变色智能窗户。一种创造这种不同寻常的软材料的新方法可以将它们带出实验室并进入市场。

国家标准与技术研究院 (NIST) 和特拉华大学的科学家们发现了一种似乎是制造这些凝胶的更好方法，十多年来，这些凝胶一直是研究热点。它们潜在的广泛用途的一部分是在它们内部形成的一组复杂的相互连接的微观通道，从而形成海绵状结构。这些通道不仅为其他材料提供了通过的通道，使它们可用于过滤，而且还为凝胶提供了大量的内表面积，这一特性对于加速化学反应或作为活组织生长的支架很有价值。

虽然这些和其他优势听起来像是凝胶创新者已经触手可及，但他们的创作还没有很好地融入市场。凝胶通常由混合在一起的两种液体溶剂形成。与油和水一样，这些溶剂不能很好地混合，但为了防止它们完全分离，研究人员添加了定制设计的纳米粒子，可以留在它们之间的界面上。仔细烹饪这些成分可以形成粘性凝胶。然而，该过程要求很高，因为为每个应用定制设计纳米粒子一直很困难，而且形成凝胶需要仔细控制快速的温度变化。这些限制使得这种类型的凝胶很难以适合实验室实验而不是工业规模的小批量生产。

正如Nature Communications 的一篇新论文所述，NIST/特拉华州团队已经找到了避开许多此类问题的方法。它的新颖方法形成了研究人员所说的“SeedGel”，这是“溶剂分离驱动凝胶”的缩写。他们选择的颗粒集中在其中一种溶剂中，而不是将纳米颗粒设计为保留在两种溶剂之间的界面上。虽然这些粒子倾向于相互排斥，但粒子对其中一种溶剂的亲和力更强，并将它们保持在通道中。使用 NIST 中子研究中心 (NCNR) 的中子散射工具，该团队毫不含糊地证明，它已成功地将纳米粒子集中到所需的位置。

由此产生的凝胶可能更容易制造，因为它的两种溶剂基本上是油和水，它的纳米颗粒是二氧化硅——基本上是普通石英的微小球体。它还可以有多种工业用途。

“我们的 SeedGel 具有很强的机械强度，制造起来要容易得多，而且该过程可以根据制造商的需要进行扩展，”同时是 NCNR 科学家和特拉华大学附属正教授的 Yun Liu 说。“而且它是热可逆的。”

这种可逆性是指成品 SeedGel 具有的光学特性：它可以从透明变为不透明，然后再返回，只需改变其温度。这种特性可以在智能窗户中利用，在两块玻璃之间夹着一层薄薄的凝胶。

“这种光学特性也可以使 SeedGel 用于其他光敏应用，”同样在 NCNR 工作的特拉华大学研究员 Yuyin Xi 说。“它们可能在传感器中很有用。”

由于该团队的凝胶创建方法可以与其他溶剂和纳米粒子组合一起使用，因此它可以用于水净化过滤器和可能的其他过滤过程，具体取决于所使用的纳米粒子类型。

Liu 还表示，这种创建方法允许通过改变形成过程中温度变化的速率来调整凝胶内通道的大小，为应用设计人员提供了另一个探索的自由度。

“我们的方法是适用于许多不同的纳米粒子和溶剂的通用方法，”他说。“它极大地扩展了这类凝胶的应用。”

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