《Chemical Society Reviews》納米膠體凝膠（NCG）最新進展

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

納米膠體凝膠(NCG)是凝膠的一個子類別，其中至少一個網絡組件由納米粒子(NP)構成。傳統凝膠（其中納米粒子充當填料）相比，NCG的兩個主要優點如下。首先，NCG表現出先進的傳輸特性、觸變行為、非線性機械特性以及微米和納米尺度上的結構各向異性。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的分類和代表性應用

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

圖2 NP構建塊根據其組成（左圖和中圖）和形狀（右圖）進行分類

然后，作者總結了膠體網絡形成的機制。（1）NCG成分之間的共價交聯是通過NP表面的官能團與聚合物或低分子量分子的官能團之間的化學反應發生的，表1總結了導致NCG形成的典型反應。（2）物理交聯NCG的形成取決于其組件之間作用力的平衡，并且當吸引力超過排斥力和熱能時就會發生。表2列出了導致NCG形成的最常見的吸引力。

表1 化學交聯NCG的典型反應

表2 導致NP網絡形成的吸引力

然后，作者描述了NCG表征的方法。NCG的結構表征包括其組分（即單個納米顆?；蚣{米顆粒團簇）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其凝膠動力學、結構、變形響應和松弛的豐富信息（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絡和介質的折射率差異密切相關。此外，理論模型被用作NCG結構研究的獨立方法論和支持實驗研究的工具。適用于膠體系統的模擬模型包括蒙特卡羅（MC）模擬、布朗動力學（BD）和分子動力學（MD）、總體平衡方程和自洽粒子模擬（SC）。

圖3 (a)用于表征NCG結構的納米顆粒尺寸相關實驗方法；(b)具有不同分形維數的納米粒子簇

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、微流體、靜電紡絲、成型和自組裝可用于制造不同形狀、尺寸和結構的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網絡通常用于NCG制備。膠體結構單元之間的吸引力是通過施加外部刺激來觸發的，例如水介質的溫度、pH值或離子強度的變化。（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。這些技術用于制造具有復雜幾何形狀和結構的材料，包括結構各向異性材料。打印技術的重要特征列于表3。（3）微流體利用小體積（納米到微升）液體的層流來制造顆?；蚶w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。

圖5 NCG制備的制造和加工技術

表3 3D打印中NCG使用的基于流變學的要求

然后，作者描述了NCG的應用，包括用作驅動器（圖6a）、可穿戴電子產品（圖6b）、傳感器（圖6c）和用于圖像記錄、光學數據存儲的應用（圖6d）、吸附劑和生物學應用（圖7）。

圖6 NCG的部分應用

圖7 NCG的生物學應用

最后，作者強調了NCG領域的未來研究方向。種類繁多的NP、NCG形成的不同機制以及從組織工程到水凈化到光學和光電子學的廣泛NCG應用，需要采用強有力的跨學科方法來進行NCG研究和開發。NCG的結構依賴性行為與NCG構建模塊的特性相結合，激發了以下方面的研究工作：（i）新NCG構建模塊的合成和利用；(ii)探索和發現NCG新的結構-性質關系，以及(iii)擴展和發現NCG新的高級應用。

文章來源：

https://doi.org/10.1039/D3CS00387F