近日，來自多倫多大學(xué)的Eugenia Kumacheva團(tuán)隊總結(jié)了目前納米膠體凝膠（NCG）形成、特性、表征和應(yīng)用的分散方面。文章描述了NCG構(gòu)建模塊的多樣性，討論了NCG形成的機(jī)制，回顧了表征技術(shù)，概述了NCG制造和加工方法，并重點介紹了最常見的NCG應(yīng)用。并在最后討論了NCG設(shè)計和開發(fā)的觀點。相關(guān)論文“Design, characterization and applications of nanocolloidal hydrogels”于2023年7月19日在線發(fā)表于雜志《Chemical Society Reviews》上。

納米膠體凝膠(NCG)是凝膠的一個子類別，其中至少一個網(wǎng)絡(luò)組件由納米粒子(NP)構(gòu)成。傳統(tǒng)凝膠（其中納米粒子充當(dāng)填料）相比，NCG的兩個主要優(yōu)點如下。首先，NCG表現(xiàn)出先進(jìn)的傳輸特性、觸變行為、非線性機(jī)械特性以及微米和納米尺度上的結(jié)構(gòu)各向異性。其次，NCG中的NP分布是可以控制的，并且通常比較均勻。在過去的6年中，NCG已成為一類有前途的材料（圖1）。

圖1 NCG的分類和代表性應(yīng)用

首先，作者描述了NCG的類型和NP構(gòu)建塊。納米膠體凝膠可以按不同的方式分類（圖2）。例如，物理交聯(lián)凝膠和共價交聯(lián)凝膠構(gòu)成兩大類NCG。另一種類型的NCG分類是基于NP構(gòu)建塊的性質(zhì)，分別是有機(jī)的、無機(jī)的或混合的。

圖2 NP構(gòu)建塊根據(jù)其組成（左圖和中圖）和形狀（右圖）進(jìn)行分類

然后，作者總結(jié)了膠體網(wǎng)絡(luò)形成的機(jī)制。（1）NCG成分之間的共價交聯(lián)是通過NP表面的官能團(tuán)與聚合物或低分子量分子的官能團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的，表1總結(jié)了導(dǎo)致NCG形成的典型反應(yīng)。（2）物理交聯(lián)NCG的形成取決于其組件之間作用力的平衡，并且當(dāng)吸引力超過排斥力和熱能時就會發(fā)生。表2列出了導(dǎo)致NCG形成的最常見的吸引力。

表1 化學(xué)交聯(lián)NCG的典型反應(yīng)

表2 導(dǎo)致NP網(wǎng)絡(luò)形成的吸引力

然后，作者描述了NCG表征的方法。NCG的結(jié)構(gòu)表征包括其組分（即單個納米顆粒或納米顆粒團(tuán)簇）的尺寸、形狀和空間分布，以及孔的尺寸和形狀（圖3）。NCG流變特性的表征提供了有關(guān)其凝膠動力學(xué)、結(jié)構(gòu)、變形響應(yīng)和松弛的豐富信息（圖4）。典型特性包括凝膠時間、凝膠粘度、儲能模量和損耗模量。透明度是NCG應(yīng)用中的一個重要因素，可能會受到光散射的影響，該特性與凝膠中的孔尺寸、納米粒子尺寸以及凝膠網(wǎng)絡(luò)和介質(zhì)的折射率差異密切相關(guān)。此外，理論模型被用作NCG結(jié)構(gòu)研究的獨立方法論和支持實驗研究的工具。適用于膠體系統(tǒng)的模擬模型包括蒙特卡羅（MC）模擬、布朗動力學(xué)（BD）和分子動力學(xué)（MD）、總體平衡方程和自洽粒子模擬（SC）。

圖3 (a)用于表征NCG結(jié)構(gòu)的納米顆粒尺寸相關(guān)實驗方法；(b)具有不同分形維數(shù)的納米粒子簇

圖4 NCG的表征

然后，作者討論了NCG的制造和加工。各種類型的印刷技術(shù)、微流體、靜電紡絲、成型和自組裝可用于制造不同形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)的NCG（圖5）。本文主要介紹了常用的三種制備方式：（1）NP自組裝成3D網(wǎng)絡(luò)通常用于NCG制備。膠體結(jié)構(gòu)單元之間的吸引力是通過施加外部刺激來觸發(fā)的，例如水介質(zhì)的溫度、pH值或離子強(qiáng)度的變化。（2）3D打印利用在軟件控制的過程中以逐層方式沉積、連接或固化液體以形成3D物體的技術(shù)。這些技術(shù)用于制造具有復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)的材料，包括結(jié)構(gòu)各向異性材料。打印技術(shù)的重要特征列于表3。（3）微流體利用小體積（納米到微升）液體的層流來制造顆粒或纖維形狀的NCG。由于可以精確控制作為NCG前體的流體的流速以及微通道尺寸和幾何形狀，因此微流體策略可以精確控制NCG尺寸、形狀和形態(tài)。

圖5 NCG制備的制造和加工技術(shù)

表3 3D打印中NCG使用的基于流變學(xué)的要求

然后，作者描述了NCG的應(yīng)用，包括用作驅(qū)動器（圖6a）、可穿戴電子產(chǎn)品（圖6b）、傳感器（圖6c）和用于圖像記錄、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲的應(yīng)用（圖6d）、吸附劑和生物學(xué)應(yīng)用（圖7）。

圖6 NCG的部分應(yīng)用

圖7 NCG的生物學(xué)應(yīng)用

最后，作者強(qiáng)調(diào)了NCG領(lǐng)域的未來研究方向。種類繁多的NP、NCG形成的不同機(jī)制以及從組織工程到水凈化到光學(xué)和光電子學(xué)的廣泛NCG應(yīng)用，需要采用強(qiáng)有力的跨學(xué)科方法來進(jìn)行NCG研究和開發(fā)。NCG的結(jié)構(gòu)依賴性行為與NCG構(gòu)建模塊的特性相結(jié)合，激發(fā)了以下方面的研究工作：（i）新NCG構(gòu)建模塊的合成和利用；(ii)探索和發(fā)現(xiàn)NCG新的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，以及(iii)擴(kuò)展和發(fā)現(xiàn)NCG新的高級應(yīng)用。

文章來源：

https://doi.org/10.1039/D3CS00387F