Intelligenta material, den senaste revolutionen inom materialvetenskap, kan anpassa sina egenskaper beroende på förändringar i sin omgivning. De kan användas i allt från självläkande mobiltelefonskärmar, till formskiftande flygplansvingar, och riktad läkemedelstillförsel. Att leverera läkemedel till ett specifikt mål inuti kroppen med hjälp av intelligenta material är särskilt viktigt för sjukdomar som cancer, eftersom det smarta materialet bara släpper läkemedlets nyttolast när det upptäcker närvaron av en cancercell, lämnar de friska cellerna oskadda.

Nu, forskare från Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) vid National University of Singapore (NUS) har skapat en ny klass av intelligenta material. Den har strukturen av ett tvådimensionellt (2D) material, men beter sig som en elektrolyt - och kan vara ett nytt sätt att leverera läkemedel i kroppen.

Precis som traditionella elektrolyter, dessa nya "2D-elektrolyter" dissocierar sina atomer i olika lösningsmedel, och blir elektriskt laddade. Vidare, arrangemanget av dessa material kan styras av externa faktorer, såsom pH och temperatur, vilket är idealiskt för riktad läkemedelstillförsel. 2D-elektrolyterna visar också lovande för andra applikationer som kräver att ett material är känsligt för miljöförändringar, som konstgjorda muskler och energilagring.

Teamet bakom 2D-elektrolyterna leds av professor Antonio Castro Neto, Direktör för CA2DM, och bestod av forskare från CA2DM, samt NUS Institutionen för fysik, och NUS Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Deras resultat publicerades i Avancerade material den 12 maj 2021.

Ändra beteendet hos 2D-material

Inom materialvetenskap, ett 2D-material är ett fast material som finns i ett enda lager av atomer. Det kan ses som ett atomärt tunt ark som har en viss höjd och bredd, men faktiskt inget djup, därav, den är i huvudsak tvådimensionell. Å andra sidan, en elektrolyt är ett ämne som bildar en elektriskt ledande suspension när den löses upp i ett lösningsmedel, såsom vatten.

Det finns många 2D-material idag, och elektrolytiskt beteende har varit väletablerat i otaliga andra föreningar. Dock, resultaten från NUS-forskarna visar den första instansen av material som har både 2D-struktur och egenskaper hos elektrolyter, med en speciell trend att formskifta sin form reversibelt i flytande medium. NUS-teamet uppnådde denna bedrift genom att använda organiska molekyler som reaktiva arter för att lägga till olika funktionaliteter till 2D-material som grafen och molybdendisulfid (MoS2).

"Genom att lägga till olika kemiska grupper som blir positivt eller negativt elektriskt laddade i lösningsmedel, vi ändrade traditionella 2D-material och kom fram till en ny klass av smarta material som har sina elektroniska egenskaper styrda av morfologisk konformation, " förklarade prof Castro Neto.

Metoderna som forskarna använder för att skapa 2D-elektrolyter är bara några möjliga exempel bland många möjliga alternativ, gör denna upptäckt till ett spännande nytt forskningsområde att utforska.

Från ett platt ark till en upprullad rulle

Ett stort genombrott för denna forskning var att orienteringen av 2D-elektrolyterna reversibelt kunde förändras genom att justera de yttre förhållandena. För närvarande, den elektriska repulsionen mellan ytladdningen i ett 2D-material leder till att den läggs ut i ett platt ark. Genom att ändra pH, temperaturen, eller jonkoncentrationen av suspensionerna, NUS-forskarna visade förmågan hos 2D-elektrolytskiktet att skifta form och bilda rullliknande arrangemang. Dessa experimentella resultat stöds av detaljerad teoretisk analys där de förklarar den fysiska mekanismen bakom rullningsbildningen och stabiliteten.

Dessa rullningsriktningar har så liten diameter att de skulle kunna beskrivas som endimensionella (1D), leder till olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Dessutom, denna övergång från 2D till 1D är reversibel genom att ändra de yttre förhållandena tillbaka till sina ursprungliga värden

"Man kan tänka på 2D-elektrolyter som de högre dimensionella analogerna av 1D-elektrolyter, allmänt känd som polyelektrolyter, " sa Prof Castro Neto. Viktiga exempel på polyelektrolyter inkluderar många biologiskt relevanta material, såsom DNA och RNA.

"När syror, baser, eller salter tillsätts, dessa elektriskt laddade polymerer genomgår också konformationsövergångar från molekylkedjor som är 1D, till klotformade objekt av 0D, och vice versa. Våra 2D-elektrolyter, i analogi med polyelektrolyter, visa reversibla övergångar från 2D till 1D, som en funktion av yttre faktorer. Som stimuli-känsliga material, de är lämpliga för att skapa banbrytande teknik, " han lade till.

Nästa steg

Att upptäcka denna klass av material har öppnat nya områden av utforskning för materialforskare, eftersom den sammanför två forskningsområden som traditionellt har varit okopplade, nämligen, 2D-material inom fysikområdet, och elektrolyter (inom området elektrokemi).

"Det finns ett oräkneligt antal sätt att funktionalisera grafen och andra 2D-material för att omvandla dem till 2D-elektrolyter. Vi hoppas att vårt arbete kommer att inspirera forskare från olika områden att ytterligare utforska egenskaperna och möjliga tillämpningar av 2D-elektrolyter. Vi räknar med att eftersom 2D-elektrolyter har likheter med biologiska eller naturliga system, de är kapabla att spontant självmontera och tvärbinda för att bilda nanofibrer som är lovande för tillämpningar i filtreringsmembran, drogleverans, och smarta e-textilier, " förklarade prof Castro Neto.