热响应性氧化石墨烯纳米片的抗衡工程

基于石墨烯的二维材料由于其优异的结构、机械、电学、光学和热性能，最近成为科学探索的焦点。其中，基于氧化石墨烯(GO)(石墨烯的氧化衍生物)的纳米片具有超薄、超宽的尺寸和富氧的表面，非常有前途。含氧官能团，如羧基和酸性羟基，产生密集的负电荷，使GO纳米片在水中胶体稳定。因此，它们是下一代功能性软材料的重要组成部分。

特别是，热响应性GO纳米片因其广泛的应用而受到广泛关注，从智能膜和表面以及可回收系统到水凝胶执行器和生物医学平台。然而，产生热响应行为的流行合成策略需要用热响应聚合物(例如聚(N-异丙基丙烯酰胺))修饰 GO 纳米片表面。这个过程很复杂，并且在后续的功能化工作中具有潜在的局限性。

为了应对这一挑战，由信州大学化学与材料系助理教授 Koki Sano 和 Shoma Kondo 先生领导的研究人员最近提出了一种称为“反阳离子工程”的创新方法，以赋予 GO 纳米片本身所需的热响应能力。他们的研究成果于 2023 年 7 月 24 日在线发布，并于 2023 年 8 月 9 日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志第 15 卷第 31 期上。

Sano 博士解释说：“这项研究引入了一种简单而有效的途径，通过利用 GO 纳米片中固有的抗衡阳离子(带正电的离子)来实现热响应性。对这些抗衡阳离子的控制为设计刺激响应纳米材料提供了强大的工具。”

在他们的研究中，研究人员建立了一个强大的合成方案，涉及在水中进行两步反应，以合成具有特定抗衡阳离子的 GO 纳米片。交换反应首先用质子取代羧基和酸性羟基的抗衡阳离子。随后使用氢氧根阴离子与目标抗衡阴离子进行酸碱反应，产生理想的 GO 纳米片。对它们的热响应行为的系统研究表明，含有四丁基铵 (Bu 4 N + )抗衡阳离子的 GO 纳米片在水性环境中表现出固有的热响应性质，而不需要任何热响应聚合物。

此外，研究人员还证明了以自组装和拆卸过程为标志的可逆溶胶凝胶转变。加热后，层状 Bu 4 N +基 GO 纳米片之间具有静电斥力(溶胶态)，重新组装形成由范德华引力(凝胶态)主导的互连网络。事实上，可以利用这种显着的转变研究人员指出，他们的目标是开发一种直接书写墨水，用于构建 GO 纳米片的三维可设计凝胶结构。

总体而言，该研究的结果具有深远的意义。“GO 纳米片与定制抗衡阳离子的受控合成揭示了一条通用且简化的热响应材料的途径。热响应 GO 纳米片是生物医学、能源和环境应用的有前途的构建模块，例如智能膜、软机器人和可回收系统、水凝胶执行器和生物医学解决方案，” Sano 博士强调说。“此外，直接使用 GO 纳米片分散体进行书写的能力为材料设计提供了新的维度，可以轻松构建复杂的凝胶结构，”他总结道。

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