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油和水無法混合，但在配方中加入合適的納米粒子，就可以將這兩種無法混合的液體轉(zhuǎn)化為一種奇異的凝膠，其使用范圍可從電池、濾水器到變色智能窗戶。一種創(chuàng)造這種不同尋常的軟材料的新方法可以將它們帶出實(shí)驗(yàn)室并投入市場(chǎng)。

其他凝膠制成方法是讓納米粒子停留在凝膠的兩種組成溶劑之間的界面（左上），與之不同，新方法是將納米粒子集中在一種溶劑的內(nèi)部（右上），使生成的“種子凝膠”具有不同尋常的機(jī)械強(qiáng)度。該方法將能使凝膠以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，具有廣泛的潛在應(yīng)用。（圖片來源：N.Hanacek/NIST）

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和特拉華大學(xué)（University of Delaware）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種更好的方法來制造這些凝膠，這是十多年來研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。它們潛在的廣泛用途之一，是在它們內(nèi)部形成一組復(fù)雜的、相互連接的微觀通道，組成一種類似海綿的結(jié)構(gòu)。這些通道不僅為其他材料提供貫穿路徑，因此可做過濾材料，而且還為凝膠提供了大量的內(nèi)部表面積，這一特性對(duì)于加速化學(xué)反應(yīng)或作為活組織生長(zhǎng)的支架很有價(jià)值。

盡管上述種種優(yōu)勢(shì)聽起來就像是凝膠創(chuàng)新者發(fā)現(xiàn)了油礦，但事實(shí)上他們的發(fā)明還沒有很好地融入市場(chǎng)。這種凝膠通常是由兩種液體溶劑混合在一起形成的。就像油和水一樣，這些溶劑不能很好地混合，但是為了防止它們完全分離，研究人員添加了定制設(shè)計(jì)的納米粒子，它可以停留在它們之間的界面上。仔細(xì)燒煮這些材料可以形成一種粘著在一起的凝膠。然而，這一過程要求很高，因?yàn)闉槊糠N應(yīng)用定制納米粒子非常困難，而且形成凝膠需要仔細(xì)控制快速的溫度變化。這些限制因素使得這種凝膠的制造難度很大，只能用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，而不能投入工業(yè)生產(chǎn)。

正如《自然通訊》雜志的一篇新論文所描述的那樣，NIST/Delaware團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了避開許多這些問題的方法。這種新方法制作出了研究人員所說的“種子凝膠”，即“溶劑分離驅(qū)動(dòng)凝膠”。他們?cè)O(shè)計(jì)的納米粒子集中在一種溶劑中，而不是在兩種溶劑之間的界面上。雖然這些粒子常常相互排斥，但它們對(duì)其中一種溶劑的親和力更強(qiáng)，因此能一起聚在通道中。利用NIST中子研究中心（NCNR）的中子散射工具，團(tuán)隊(duì)明確地證明了他們已經(jīng)成功地將納米粒子集中到他們想要的地方。

這種制造凝膠的方法要容易得多，因?yàn)樗膬煞N溶劑就是油和水，而它的納米粒子是二氧化硅——本質(zhì)上是普通石英的微小球體。它還可以有多種工業(yè)用途。

“我們的種子凝膠有很大的機(jī)械強(qiáng)度，它更容易制造，而且這個(gè)工藝可以擴(kuò)展到符合制造商的需要，”Yun Liu說，他是NCNR的科學(xué)家和特拉華大學(xué)的聯(lián)合正教授。“另外，它是熱可逆的。”

這種可逆性是指成品種子凝膠具有的一種光學(xué)特性：它可以通過改變溫度從透明到不透明，再復(fù)原原貌。這種特性可以用到兩塊玻璃之間夾一層薄凝膠的智能窗戶上。

“這種光學(xué)特性也可以使種子凝膠在其他光敏應(yīng)用中發(fā)揮作用，”同樣在NCNR工作的特拉華大學(xué)研究員Yuyin Xi說。“它們可以用于傳感器。”

這種凝膠生成方法還可以用于其他溶劑和納米粒子的組合，因此可能會(huì)在凈水過濾器中發(fā)揮作用，也可能在其他取決于納米粒子具體類型的過濾過程中發(fā)揮作用。

Liu還表示，這種制造方法可以通過改變形成過程中溫度變化的速率來調(diào)節(jié)凝膠內(nèi)部通道的大小，這為應(yīng)用設(shè)計(jì)者提供了另一個(gè)可以探索的自由度。

“我們的方法通用于許多不同的納米粒子和溶劑，”他說。“這極大地?cái)U(kuò)展了這類凝膠的應(yīng)用。”