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近日，清華大學(xué)化學(xué)系王訓(xùn)教授課題組在無(wú)機(jī)亞納米線研究方面取得了新突破，發(fā)現(xiàn)堿土金屬-多酸團(tuán)簇亞納米線能夠有效鎖定包括正辛烷、汽油等在內(nèi)的易揮發(fā)有機(jī)液體，形成自支撐的彈性凝膠。

凝膠是一類具有廣泛應(yīng)用背景的物質(zhì)存在形態(tài)。目前，人們已經(jīng)可以通過(guò)高分子等凝膠劑輕松地制備得到具有優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)的水凝膠。與水中的氫鍵相比，種類及功能更為豐富的非極性揮發(fā)性有機(jī)分子之間的分子間作用力通常較弱，阻礙了揮發(fā)性有機(jī)液體的固化行為和新型功能性有機(jī)凝膠材料的開(kāi)發(fā)。到目前為止，有機(jī)凝膠和水凝膠相比，在分子鎖定效率、機(jī)械性能和整體化學(xué)/物理性能方面仍存在很大差距。

圖1.亞納米線有機(jī)凝膠的照片、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

亞納米尺度材料指的是至少在一個(gè)維度上特征尺寸接近或小于1納米的材料。這個(gè)特征尺寸接近高分子鏈/DNA單鏈的直徑，并與無(wú)機(jī)晶體單晶胞的尺寸相當(dāng)，有可能成為打破高分子材料與無(wú)機(jī)材料之間界限的切入點(diǎn)。王訓(xùn)課題組提出了亞納米尺度材料的概念，證明了無(wú)機(jī)亞納米線由于具有與高分子鏈相似的一維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特征尺寸，在宏觀性質(zhì)上可表現(xiàn)出眾多與高分子體系類似的特征，如高粘度、高柔性、可組裝、可成膜、可凝膠化等。

基于課題組發(fā)展的良溶劑-不良溶劑合成方法學(xué)及團(tuán)簇組裝策略，本工作通過(guò)簡(jiǎn)單的室溫反應(yīng)制備了由磷鎢酸陰離子納米團(tuán)簇、堿土金屬離子為無(wú)機(jī)骨架的亞納米線，該方法易于放大，在實(shí)驗(yàn)室一次可以合成千克級(jí)別的亞納米線。通過(guò)簡(jiǎn)單分散和靜置，質(zhì)量百分比低至0.5%左右的亞納米線即可鎖住易揮發(fā)的有機(jī)液體，如汽油、正辛烷、環(huán)己烷等，形成自支撐的彈性凝膠。凝膠中亞納米線通過(guò)物理交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，亞納米線中的堿金屬離子、多酸團(tuán)簇及表面配體提供了多級(jí)相互作用，促進(jìn)了有機(jī)凝膠的形成。通過(guò)增加原料量，在實(shí)驗(yàn)室可制備出大尺寸的有機(jī)凝膠，并且凝膠中的亞納米線可多次回收利用。該類凝膠展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，在密閉的容器中貯存兩個(gè)月還可以穩(wěn)定存在，在低至液氮的溫度下冷凍解凍后沒(méi)有明顯的損壞。該研究使亞納米線有望應(yīng)用于新型功能化有機(jī)凝膠、有機(jī)液體安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸以及溢油回收等多個(gè)重要領(lǐng)域。

7月1日，該研究工作以“利用亞納米線基有機(jī)凝膠鎖著易揮發(fā)有機(jī)分子”(Locking volatile organic molecules by subnanometer inorganic nanowire-based organogels)為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上。

清華大學(xué)化學(xué)系博士后張思敏為第一作者，王訓(xùn)教授為通訊作者。天津理工大學(xué)匙文雄研究員參與了工作。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abm7574