化学系王训团队:揭开易挥发有机液体存储的奥秘

2022.09.30

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      王鲁彬 周襄楠


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      梁晨


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      化学系


      编审

      刘蔚如

      张歌明  张莉


      栏目统筹

      周襄楠  贺茂藤

易挥发的有机液体,比如汽油,由于其挥发性和可燃性,在空气中易于达到其爆炸极限浓度,因此该类物质的储存、运输、回收是一大难题。目前最为常见的办法就是将它们密封存储于阴凉干燥通风处,但是这种办法往往因为存储环境的易改变,导致有不小的安全隐患。还有一种办法就是将它们凝胶化,在我们生活中最为常见的例子就是固体酒精。

如果能够大批量地生产出能够吸附有机液体的功能性有机凝胶材料,并且在需要有机液体时能够安全、便捷的从凝胶中还原释放出有机液体,这一问题就将迎刃而解。然而,挥发性有机液体分子之间的相互作用力较弱,阻碍了这种有机凝胶材料的发展。

目前研究较多的高溶剂含量的超分子有机凝胶从应用角度来讲,还有很多需要克服的困难。首先,这类凝胶剂制备过程繁复,产量也较低,从而导致制备大尺寸的凝胶难度较大;其次,这类凝胶形成过程中通常需要加热、光照等外场作用或者额外的添加剂;再有,最终得到的凝胶机械强度也较差,大多数无法自支撑,只能存在于试管中。

而清华大学化学系王训团队开发出了一种利用碱土金属离子钙离子、多金属氧酸盐及油胺形成的亚纳米线状材料,这种材料可以和十多种易挥发的有机液体形成有机凝胶,利用少量的该材料(0.53%)即可以使得大量的有机液体凝胶化,仅需要离心即可将该亚纳米线状材料与有机液体分离,同时还能重复利用10次以上。

日前,王训教授课题组在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上发表了他们的这项研究成果——《无机亚纳米线有机凝胶锁定易挥发有机分子》。该类凝胶还展现了良好的稳定性:在密闭的容器中贮存两个月还可以稳定存在,在低至液氮的温度下冷冻解冻后没有明显的损坏。这意味着这种新型功能化有机凝胶的批量生产和有机液体的安全储存、运输和释放、回收将成为可能。

回首研究的路程,并不是一帆风顺的。

从根本上讲,无机材料与高分子材料是两类传统意义上截然不同的材料。高分子材料通常具有明显的结构柔性及良好的加工特性,无机材料则光电磁性质优异。然而无机材料多由极性化学键构筑,在机械加工上往往表现出硬而脆的特点,一定程度上限制了该类材料的实际应用范围。如何使无机材料在本征上具备高分子材料的柔性基本力学特征,将与高分子材料相比较更为优异的光电磁特性与柔性、可加工性等力学特性相结合,是一个极具挑战的科学问题。

2010年左右,王训课题组在研究过程中敏锐的意识到,将与线性高分子拓扑结构类似的无机纳米线直径减小到与高分子直径相当的亚纳米尺度,将可能成为解决这一难题的切入点。自那时候开始,王训教授课题组一直从事着纳米材料合成方法学的研究。一个偶然的机会,组内博士生胡适(现任天津大学教授)发现直径非常细的羟基氧化钆纳米线分散在非极性溶剂环己烷等中时会发生粘度增加、经过放置可以在试管中形成凝胶等现象后,王训教授在国内外率先提出了亚纳米尺度材料的概念,并陆续发现无机亚纳米线在宏观性质上可表现出众多与高分子体系类似的特征,如高粘度、高柔性、可组装、可成膜、可凝胶化等。从那以后,王训就要求每位同学都要关注无机亚纳米线的粘度和成胶特性。

在随后的十来年时间中,王训课题组一直致力于发展不同体系无机亚纳米线的合成,寄希望于通过对组分的调控实现对微观作用力的优化,以提升凝胶的力学性质。然而,不管是单元组分还是晶核-团簇异质双组分亚纳米线,尽管都可以普遍性的呈现出形成凝胶的行为,其力学性质提升上却收效甚微。虽然团队曾数次得到过类似的凝胶材料,但高温高压等复杂的制备条件却限制了其量产和广泛应用。

从2015年开始,团队成员张思敏博士就一直专注于无机亚纳米线与凝胶制备的研究工作,但当时这一领域尚无其他团队涉足,可供参考的研究文献也仅仅局限于王训团队各位成员的研究成果,导致研究过程起步异常艰难。

直到2019年,在一次实验后,张思敏在例行观察时将试管倒置,却发现其中的凝胶落地后没有摔碎。为了研究其形成过程,她选择先在室温而非高温条件下进行简单的测试,却不料直接制备得到了弹力球一般的凝胶。这是一项不同寻常的发现,意味着通过简单的室温搅拌,团队几乎能够“想制备多少凝胶就能制备多少”。经过进一步的研究测试和文章修改,《无机亚纳米线有机凝胶锁定易挥发有机分子》终于发表在了《科学》期刊上。

“我坚信无机亚纳米线这一方向能够成功,这个信念支撑着我们一路走了下来。”王训认为,正是“打通无机材料与高分子材料这两大类传统意义上截然不同的材料之间的界限”这一想法所代表的巨大挑战与机遇,才有了团队今天的成果。

目前,王训教授团队在无机亚纳米黏结剂、无机亚纳米线偏光片等方面进展顺利,但他们表示,包括这次发表的研究结果在内的进展都只是团队研究计划的一部分,打通无机材料与高分子材料两者之间的界限,是团队更大的目标。

“也许有些目标永远成功不了,但科学研究的乐趣就在于挑战。”王训说道。

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