Intelligente materialen, de nieuwste revolutie op het gebied van materiaalkunde, kunnen hun eigenschappen aanpassen aan veranderingen in hun omgeving. Ze kunnen in alles worden gebruikt, van zelfherstellende schermen voor mobiele telefoons, tot vormveranderende vliegtuigvleugels, en gerichte medicijnafgifte. Het afleveren van medicijnen aan een specifiek doelwit in het lichaam met behulp van intelligente materialen is vooral belangrijk voor ziekten zoals kanker, omdat het slimme materiaal de nuttige lading van het medicijn alleen vrijgeeft wanneer het de aanwezigheid van een kankercel detecteert, waardoor de gezonde cellen ongedeerd blijven.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) van de National University of Singapore (NUS) hebben een nieuwe klasse intelligente materialen gecreëerd. Het heeft de structuur van een tweedimensionaal (2D) materiaal, maar gedraagt ​​zich als een elektrolyt - en kan een nieuwe manier zijn om medicijnen in het lichaam af te geven.

Net als traditionele elektrolyten, deze nieuwe "2D-elektrolyten" dissociëren hun atomen in verschillende oplosmiddelen, en elektrisch geladen worden. Verder, de opstelling van deze materialen kan worden gecontroleerd door externe factoren, zoals pH en temperatuur, wat ideaal is voor gerichte medicijnafgifte. De 2D-elektrolyten zijn ook veelbelovend voor andere toepassingen waarbij een materiaal moet reageren op veranderingen in de omgeving, zoals kunstmatige spieren en energieopslag.

Het team achter de 2D-elektrolyten wordt geleid door professor Antonio Castro Neto, directeur van CA2DM, en bestond uit onderzoekers van CA2DM, evenals de NUS-afdeling Natuurkunde, en de NUS-afdeling Materials Science and Engineering.

Hun resultaten zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 12 mei 2021.

Het gedrag van 2D-materialen veranderen

In de materiaalkunde, een 2D-materiaal is een vast materiaal dat bestaat in een enkele laag atomen. Het kan worden gezien als een atomair dunne plaat met een specifieke hoogte en breedte, maar effectief geen diepte, Vandaar, het is in wezen tweedimensionaal. Anderzijds, een elektrolyt is een stof die een elektrisch geleidende suspensie produceert wanneer deze wordt opgelost in een oplosmiddel, zoals water.

Er bestaan ​​tegenwoordig talloze 2D-materialen, en elektrolytisch gedrag is goed ingeburgerd in talloze andere verbindingen. Echter, de resultaten van de NUS-onderzoekers tonen het eerste exemplaar van materialen die zowel een 2D-structuur als eigenschappen van elektrolyten hebben, met een bijzondere trend om hun vorm omkeerbaar te veranderen in vloeibaar medium. Het NUS-team bereikte deze prestatie door organische moleculen te gebruiken als reactieve soorten om verschillende functionaliteiten toe te voegen aan 2D-materialen zoals grafeen en molybdeendisulfide (MoS2).

"Door verschillende chemische groepen toe te voegen die positief of negatief elektrisch geladen worden in oplosmiddelen, we veranderden traditionele 2D-materialen en kwamen met een nieuwe klasse van slimme materialen waarvan de elektronische eigenschappen worden gecontroleerd door morfologische conformatie, " legde prof Castro Neto uit.

De methoden die door de onderzoekers worden gebruikt om 2D-elektrolyten te maken, zijn slechts enkele mogelijke voorbeelden van de vele mogelijke opties, waardoor deze ontdekking een opwindend nieuw onderzoeksgebied wordt om te verkennen.

Van een plat vel naar een opgerolde rol

Een belangrijke doorbraak van dit onderzoek was dat de oriëntatie van de 2D-elektrolyten omkeerbaar kon veranderen door de externe omstandigheden aan te passen. Momenteel, de elektrische afstoting tussen de oppervlaktelading in een 2D-materiaal leidt ertoe dat het in een vlakke plaat wordt neergelegd. Door de pH te veranderen, de temperatuur, of de ionconcentratie van de suspensies, de NUS-onderzoekers demonstreerden het vermogen van het 2D-elektrolytblad om van gedaante te veranderen en scrollachtige arrangementen te vormen. Deze experimentele resultaten worden ondersteund door een gedetailleerde theoretische analyse waarin ze het fysieke mechanisme achter de rolvorming en stabiliteit verklaren.

Deze scroll-oriëntaties hebben zo'n kleine diameter dat ze kunnen worden beschreven als eendimensionaal (1D), wat leidt tot verschillende fysische en chemische eigenschappen. Bovendien, deze overgang van 2D naar 1D is omkeerbaar door de externe omstandigheden terug te brengen naar hun oorspronkelijke waarden

"Men kan denken aan 2D-elektrolyten als de hoger-dimensionale analogen van 1D-elektrolyten, algemeen bekend als polyelektrolyten, " zei Prof Castro Neto. Belangrijke voorbeelden van polyelektrolyten zijn onder meer veel biologisch relevante materialen, zoals DNA en RNA.

"Als zuren, bases, of zouten worden toegevoegd, deze elektrisch geladen polymeren ondergaan ook conformationele overgangen van moleculaire ketens die 1D zijn, naar bolvormige objecten van 0D, en vice versa. Onze 2D-elektrolyten, in analogie met polyelektrolyten, omkeerbare overgangen van 2D naar 1D te tonen, als functie van externe factoren. Als op stimuli reagerende materialen, ze zijn geschikt voor het creëren van geavanceerde technologie, " hij voegde toe.

Volgende stappen

Het ontdekken van deze klasse materialen heeft nieuwe onderzoeksgebieden geopend voor materiaalwetenschappers, omdat het twee onderzoeksgebieden samenbrengt die traditioneel niet met elkaar verbonden waren, namelijk, 2D-materialen op het gebied van natuurkunde, en elektrolyten (op het gebied van elektrochemie).

"Er is een ontelbaar aantal manieren om grafeen en andere 2D-materialen te functionaliseren om ze om te zetten in 2D-elektrolyten. We hopen dat ons werk wetenschappers uit verschillende vakgebieden zal inspireren om de eigenschappen en mogelijke toepassingen van 2D-elektrolyten verder te onderzoeken. We verwachten dat aangezien 2D-elektrolyten overeenkomsten hebben met biologische of natuurlijke systemen, ze zijn in staat zichzelf spontaan te assembleren en te verknopen om nanovezels te vormen die veelbelovend zijn voor toepassingen in filtratiemembranen, medicijnafgifte, en slim e-textiel, " legde prof Castro Neto uit.