陈根：智能材料，从给药到储能

文/陈根

在新材料层出不穷的时代，智能材料依旧占有重要地位。智能材料是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料，具有较高的感知能力和驱动功能。其可以被用于自我修复的手机屏幕，或者会变形以获得更好气动性能的飞机机翼，以及具有针对功能的药物输送等。

其中，使用智能材料将药物输送到体内的特定目标，对于像癌症这样的疾病治疗尤为重要，因为智能材料只有在检测到癌细胞的存在时才会释放药物载荷，从而使得健康细胞不受伤害。

近日，新加坡国立大学（NUS）先进二维材料中心（CA2DM）的研究人员创造了一类新的智能材料。其具有二维（2D）材料的结构，但表现得像电解质，这使它有希望成为一种在体内输送药物的新方式。

在物理学中，二维材料是一种存在于单层原子中的固体材料。它可以被认为是一个原子薄片，有特定的高度和宽度，但没有实际的深度；在电化学中，电解质是一种物质，它溶解于溶剂（如水）时会产生导电的悬浮液。

像传统的电解质一样，该材料在不同的溶剂中解离其原子，并变得带电。此外，这些材料的排列可以由外部因素控制，如pH值和温度，这是定向药物输送的理想选择。通过改变悬浮液的pH值，研究人员证明了二维电解质片有能力卷起成卷轴状排列，这与带电聚合物从分子链过渡到球状物体的方式相似。

研究人员通过使用有机分子作为反应性物种，向石墨烯和二硫化钼（MoS2）等二维材料添加不同的功能，让该材料同时具有二维结构和电解质特性。另外，该智能材料添加了不同的化学基团，在溶剂中带正电或负电，其电子特性受形态构象的控制。

值得一提的是，二维电解质的方向还可以通过调整外部条件而可逆地改变。该材料表面电荷之间的电斥力会使其被铺成一张平面，通过改变悬浮液的pH值、温度或离子浓度，可以使二维电解质片的变形能力和形成卷轴状排列。这些卷轴方向直径较小，可以被描述为一维（1D），通过改变外部条件可以实现二维到一维的转变。

这里，可以把二维电解质看作是一维电解质的高维类似物。聚电解质的重要例子包括许多生物相关材料，如DNA和RNA。当加入酸、碱或盐时，这些带电的聚合物也会发生构象转变，从一维的分子链转变为零维的球状物体，反之亦然。该二维电解质，与聚电解质类似，显示出从二维到一维的可逆转变。可以说，作为刺激性反应材料，它们适应于最先进的技术。

该智能材料将物理学领域的二维材料和电化学领域的电解质结合了起来，为智能材料开辟了新的探索途径。未来，该材料不仅在药物精准输送中具有广阔前景，还有望实现自我组装和交联，形成纳米纤维，应用于过滤膜和智能电子纺织品等方面。