科学家们提出了一种使用固体溶剂合成新材料创新方法

来源：IFJ PAN

使用固体溶剂合成新材料。将覆盖有均匀分布的锚系统的基板浸入含有所需原子或分子的溶液中，然后这些原子或分子被锚从溶液中捕获。（图片来源：IFJ PAN）

可以使用固体纳米结构二氧化硅溶剂生产现有方法无法获得的材料。克拉科夫波兰科学院核物理研究所的科学家们提出了一种生产具有独特物理和化学特性的物质的创新方法。

来自波兰克拉科夫的一组物理学家成功开发了一种灵活的方法来生产固体二维二氧化硅溶剂，从而生产具有独特光学、磁性和结构特性的材料。这里的术语“固体溶剂”是指一种物质，当浸入适当分子的溶液中时，将它们以严格定义的比例和定义的方式结合到其表面。这项成就是波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)的Lukasz Laskowski博士领导的团队的工作。该团队多年的研究成果刚刚发表在《国际分子科学杂志》上。

新材料通常是通过将特定原子或化学分子沉积在合适的基材（例如二氧化硅或碳）上来生产的。但是，这里的问题是控制分子的沉积方式。使用一个简单的例子很容易理解这个困难。拿一个橡皮球，涂上胶水，然后把它扔进一些羽毛里。当你把球拿出来时，你会发现它表面上某些地方的羽毛比其他地方多。出现这种情况的原因是无法控制单个羽毛如何粘在球上。

“在分子工程中，情况更加复杂，”Laskowski 博士说，并提出了这个问题：“假设经过多年的研究，你成功地找到了一种方法来控制粘在橡皮球上的羽毛之间的距离。如果我们突然需要粘上的不是羽毛而是玻璃珠，会发生什么？您可能需要更换胶水。改变胶水和粘合元件意味着必须设计新的方法来控制被粘合的元件之间的距离。同样，这需要几年的研究，这不一定会成功。”

由波兰国家科学中心资助的克拉科夫物理学家决定通过以下方式解决上述问题。他们没有努力寻找在载体上均匀沉积各种不同离子或粒子的新方法，而是开发了一种用锚定单元涂覆二氧化硅基材的方法。在这里，每个分子锚的一侧都与基材结合，而另一侧可以从环境中捕获特定类型的离子或分子。特别重要的是，该方法可以保持对载体表面上锚的分布密度的统计控制。因此，设计新材料的问题从根本上得到了简化。目前，其重要的一点是相对简单且快速地开发出一种锚，其一端吸引当前所需的离子或分子。

“在我们的方法中，固体溶剂的关键作用在于二氧化硅纳米结构。我们在这样的条件下生产它们，当它们形成时，它们立即被固定单元的规则网格覆盖，其密度严格根据我们当前的需求进行调整，“Magdalena Las¬kowska 博士 (IFJ PAN) 解释道。

统计控制锚之间距离的能力，存在于产生二氧化硅溶剂的阶段，使科学家能够精确选择结合在二氧化硅颗粒表面的物质的量。同时，可以保持对被锚捕获的分子的相互作用甚至对其方向的控制。

“在生产新材料的传统工艺中，某些化合物的分子可以沉积在表面上，从而使其分子结构发生变化。这些分子通常会失去它们的性质，变得几乎无用。当分子通过决定其物理或化学性质的碎片与底物结合时，就会发生这种情况。然而，我们可以把这些不守规则的分子压缩在固体溶剂上，这样分子结合后仍然有活性区域并保持其原始功能，”博士生Oleksandr Pastukh解释说。

当适当制备的二氧化硅溶剂浸入含有目标离子/颗粒的溶液中时，其表面上的锚会捕获并结合它们，这会自发地形成假定的分子结构。新形成的材料现在只需要过滤、用溶剂清洗以去除污垢并干燥。

掌握生产具有精确控制锚分布的固体溶剂的技术，使 IFJ PAN 研究人员能够扭转传统的材料设计和合成过程。克拉科夫的研究人员不是检查已经制造的材料来寻找它们的应用，而是先了解当前的需求，例如光电子学或光子学，然后考虑到这些，设计材料的特性，确定其分子结构，然后合成一种具有所需特性的物质。在合成过程中，固体溶剂通常起着关键作用，通过这种溶剂可以非常精确地控制参与反应的分子之间的比例。

“一旦材料生产出来，我们就会对其进行测试，以将其实际物理和化学特性与所需的特性进行比较。如果有差异，我们用稍微改变的参数重复合成。如果这没有帮助，我们会在分子设计阶段进行调整，”博士生 Andrii Fedrochuk (IFJ PAN) 更详细地解释道。

使用纳米结构二氧化硅溶剂的方法特别有趣，因为它可以生产具有独特非线性光学特性的材料，例如，具有精确调谐的光的二次或三次谐波分量（这意味着离开材料的光波具有与入射到材料上的波相关的频率增加一倍或三倍）。有趣的应用也在医学领域开放。开发新材料使分子在添加到牙科填充物或油漆中时仍能保持其强大的生物杀灭性能正变得可能。

原文链接：https://press.ifj.edu.pl/en/news/2021/02/24/

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