《Nature Reviews Materials》膠體物質(zhì)的全合成：包括水凝膠/膠化/分子模擬等
2021年6月7日 10:11瀏覽：2297
原子是膠體自組裝的靈感來源
，由此構(gòu)建塊可以使用一些設(shè)計(jì)原則（包括方向性、價(jià)態(tài)和可逆結(jié)合）組合并賦予無限的功能。受碳原子鍵合啟發(fā)的四面體結(jié)構(gòu)長期以來一直被視為超材料的候選物，現(xiàn)在可以通過分子模擬膠體構(gòu)建塊獲得。除了碳模擬物之外，正在合成越來越復(fù)雜的粒子，這些粒子可以排列在自己的元素周期表中，并用于生成膠體系統(tǒng)特有的物質(zhì)形式。
最近，
紐約大學(xué)
Theodore Hueckel
教授
和
Stefano Sacanna
教授
團(tuán)隊(duì)在綜述《
Nature Reviews Materials
》上提出
了一個(gè)框架來描述這些微米級(jí)膠體的合成，其中基本成分要么通過粒子間反應(yīng)結(jié)合，要么通過粒子內(nèi)反應(yīng)轉(zhuǎn)化，類似于傳統(tǒng)合成化學(xué)中的分子。
團(tuán)隊(duì)以此框架為基礎(chǔ)來說明獨(dú)特的顆粒形狀和表面化學(xué)如何導(dǎo)致這些膠體構(gòu)建塊的不同組裝路線。相關(guān)論文英文標(biāo)題為
Total synthesis of colloidal matter
。
圖
1：基本膠體的周期表。
膠體積木有多種形狀和大小。
這些積木的形態(tài)可以通過出現(xiàn)在不同對(duì)稱群上的五個(gè)功能圖案來表達(dá)。
水凝膠顆粒
由遇水溶脹的交聯(lián)聚合物形成。
聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）等水凝膠的一個(gè)特殊特性是它們對(duì)刺激的反應(yīng)，包括熱和 pH 值，這會(huì)使顆粒消脹，導(dǎo)致劇烈收縮（圖 2b，左下角）。水凝膠柔軟且高度可變形，使它們能夠以硬球無法實(shí)現(xiàn)的方式相互作用和組裝。
圖
2：生長簡(jiǎn)單的膠體。
a 化學(xué)反應(yīng)建立了溶液中膠體成核的前體。b 幾類膠體材料很重要，因?yàn)樗鼈兙哂凶越M裝和進(jìn)一步反應(yīng)的特性。
圖
3：膠體化學(xué)。
簡(jiǎn)單的膠體可以通過粒子間反應(yīng)組合成新的、更復(fù)雜的形態(tài)。這些產(chǎn)品還可以通過粒子內(nèi)反應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部變化以獲得新的功能，可用于組裝奇異材料。
圖
4：粒子間反應(yīng)。
a 限時(shí)反應(yīng)進(jìn)行直到反應(yīng)被淬滅。b 可以使用限制性試劑針對(duì)單個(gè)產(chǎn)品，例如收集衛(wèi)星的核心。c 價(jià)賦粒子可以通過編程以特定方式組裝，這些反應(yīng)可能是無廢物的，并且需要最少的純化。d 收縮的乳液液滴促使其內(nèi)部的顆粒緊密堆積。e 作為摻雜劑添加到晶體間隙中的核心粒子可以與其相鄰粒子結(jié)合。
圖
5：粒子內(nèi)反應(yīng)。
A 從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變會(huì)驅(qū)動(dòng)許多粒子內(nèi)反應(yīng)。B 通過溶解組分、選擇性溶脹和消溶脹組分以及將溶劑吸入顆粒或抽出散裝材料，可以在顆粒內(nèi)反應(yīng)中利用顆粒的溶解度。C 可以使用潤濕性、表面張力、表面活性劑相互作用和結(jié)合顆粒之間的表面電位等特性來操縱顆粒表面以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。
圖
6：膠體相互作用和目標(biāo)。
a 物理化學(xué)吸引力。b 熵相互作用。c 環(huán)境相互作用。
圖
7：分子模擬結(jié)構(gòu)。
a 玻璃化發(fā)生在被迫快速組裝的系統(tǒng)中，而結(jié)晶則發(fā)生在粒子緩慢組裝時(shí)。b 帶有排斥（灰色）和有吸引力（綠色）斑塊的 Janus 粒子形成了幾種模擬分子兩親物的結(jié)構(gòu)，例如雙層和膠束。c 互補(bǔ)粒子的行為類似于離子，可以組裝成各種離子晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以通過幾何特性進(jìn)行調(diào)整，例如粒度比。d 膠體碳模擬物是通過顆粒間和顆粒內(nèi)反應(yīng)的組合合成的。
參考文獻(xiàn)
：
doi.org/10.1038/s41578-021-00323-x
版權(quán)聲明
：「
高分子材料科學(xué)
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