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将自组装架构转换为功能材料

想象一下,如果一种材料将自身布置成适合其应用的形状,例如,一种最大化自身表面积以提高效率的催化剂,或一种微型附件,形成附肢以抓住附近的物体。这是自组装的承诺:通过使自身成形来制造复杂的功能材料。然而,并非所有能自我组装成有趣形式的事物都在其最终形状中具有有用的功能。自组织问题小组的研究人员最近发现,离子交换使他们能够将自组装过程与所得材料分开。他们的发现发表在11月16日的《高级材料》上,并在《自然与自然评论》材料中重点介绍。

自组织问题小组研究的纳米复合材料具有美丽而复杂的形状,看起来非常出色(参见插图)。然而,博士 学生Hans Hendrikse和Arno van der Weijden不仅想要漂亮的结构,而且还渴望利用纳米复合材料的功能。在纳米复合材料的可成形性和结构布局的鼓舞下,他们开始与阿姆斯特丹大学,ARNCL,莱顿大学和弗吉尼亚理工大学的研究人员一起研究这些选择。

该研究小组首先研究了纳米复合材料,该复合材料由嵌入二氧化硅(SiO 2)基质中的碳酸钡(BaCO 3)纳米晶体组成,并将其转化为硫化镉(CdS)。首先,他们建立了将纳米复合材料可重复转化为最终材料的途径,同时研究了离子交换过程中纳米复合材料的性能。通过电子显微镜和X射线衍射分析,该团队学到了一些有趣的东西:BaCO 3纳米晶体的小尺寸使其特别容易受到离子交换反应的影响,而周围的SiO 2基体则提供了机械稳定性,以保持原始纳米复合材料的稳定性。转换期间的形状。汉斯·亨德里克斯(Hans Hendrikse)表示:“这就像我们要更换房屋的一些砖块,同时保持整体结构完整一样。”

动画gif,显示了通过在纳米复合材料上应用离子交换技术而创建的微执行器。信用:AMOLF

基于这些见解,扩展材料的选择非常简单,并且开发了新的途径来将纳米复合材料的组成更改为各种镉,铁,镍和锰盐。此外,可以以多种预定形状对原始纳米复合材料进行成形。所有这些形状都可以转化为任何上述组成。因此,不仅可以转换纳米复合材料,而且还有多种材料和形状可以互换选择。

最后,团队探索了这种新方法的潜在应用。例如,他们发现含镍的纳米复合材料可以用作干重整工艺的催化剂,该工艺在低温下优于传统的催化剂。此外,研究小组合成了形状可控的磁铁矿(Fe 3 O 4)纳米复合材料,这些复合材料可以利用其磁性来移动和重新定向。最后,他们通过利用离子交换反应之一期间引入的灵活性以及二氧化硅基质的收缩特性,创建了电子束激活的微观致动器。简而言之,他们发现了保形离子交换 这些反应开辟了通往具有各种新颖功能特性的自组装材料的新途径。

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