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北京同步辐射1W2A小角实验站助力用户在有机凝胶领域取得新进展

2022-07-08 22:05     来源:中科院高能所     X射线衍射分析

挥发性有机分子之间的作用力通常较弱,这严重阻碍了挥发性有机液体的半固化和功能有机凝胶材料的发展。通过水分子与凝胶剂之间的物理交联从而形成氢键网络,是制备水凝胶的一个重要途径。近日,清华大学王训课题组通过一种简单的室温反应制备了碱土金属阳离子桥接多酸阴离子纳米团簇(AE-POM)亚纳米线,利用该种纳米线形成类似于聚合物的三维网络,能够有效地锁定汽油、辛烷等十多种有机液体,并在没有任何添加剂的情况下获得了一系列自支撑、弹性、稳定的有机凝胶。在凝胶的研究过程中,小角X射线散射(SAXS)为解释其力学性能机理起到了重要的作用。本项成果所用的SAXS测量在北京同步辐射装置(BSRF)1W2A束线小角X射线散射实验站完成。

这项研究可实现批量生产千克级的封装有机液体的凝胶。该凝胶中的纳米线可通过简单的蒸馏及离心回收,可循环使用十次以上,该策略可有效用于有机液体的半固化和溢油回收。该项研究以“Locking volatile organic molecules by subnanometer inorganic nanowire-based organogels”为题,于2022年7月1日发表在Science上 (Science 377:100–104 (2022)), 第一作者是张思敏博士。

论文作者首先制备了Ca-POM纳米线,并通过透射电子显微镜(TEM)、原子分辨率球差校正透射电子显微镜(AC-TEM)、原子力显微镜(AFM)和小角X射线衍射(SXRD)等技术研究了纳米线的形貌,然后通过X射线光电子能谱(XPS)和能量色散X射线能谱(EDS)获得了纳米环的元素组成,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)研究了纳米线的组分及结构。此外,还对Ca-POM纳米线凝胶进行了分子动力学(MD)模拟。SAXS结果显示,当凝胶薄片被拉伸时,二维SAXS图案是各向异性的,表明凝胶中的纳米线在张力作用下有一定程度的取向。所以在力学测试中发现,对于相同的凝胶,拉伸弹性模量高于压缩弹性模量。这正是因为当凝胶拉伸后,纳米线网络在张力作用下发生了一定的取向,而当凝胶被压缩时,纳米线没有有序排列以抵抗压缩。

图1. Ca-POM纳米线-有机液体凝胶。

图2. 纳米线-辛烷凝胶的弹性展示,散射图像和力学性能。

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