《Chemical Society Reviews》纳米胶体凝胶（NCG）最新进展

近日，来自多伦多大学的Eugenia Kumacheva团队总结了目前纳米胶体凝胶（NCG）形成、特性、表征和应用的分散方面。文章描述了NCG构建模块的多样性，讨论了NCG形成的机制，回顾了表征技术，概述了NCG制造和加工方法，并重点介绍了最常见的NCG应用。并在最后讨论了NCG设计和开发的观点。相关论文“Design, characterization and applications of nanocolloidal hydrogels”于2023年7月19日在线发表于杂志《Chemical Society Reviews》上。

纳米胶体凝胶(NCG)是凝胶的一个子类别，其中至少一个网络组件由纳米粒子(NP)构成。传统凝胶（其中纳米粒子充当填料）相比，NCG的两个主要优点如下。首先，NCG表现出先进的传输特性、触变行为、非线性机械特性以及微米和纳米尺度上的结构各向异性。其次，NCG中的NP分布是可以控制的，并且通常比较均匀。在过去的6年中，NCG已成为一类有前途的材料（图1）。

图1 NCG的分类和代表性应用

首先，作者描述了NCG的类型和NP构建块。纳米胶体凝胶可以按不同的方式分类（图2）。例如，物理交联凝胶和共价交联凝胶构成两大类NCG。另一种类型的NCG分类是基于NP构建块的性质，分别是有机的、无机的或混合的。

图2 NP构建块根据其组成（左图和中图）和形状（右图）进行分类

然后，作者总结了胶体网络形成的机制。（1）NCG成分之间的共价交联是通过NP表面的官能团与聚合物或低分子量分子的官能团之间的化学反应发生的，表1总结了导致NCG形成的典型反应。（2）物理交联NCG的形成取决于其组件之间作用力的平衡，并且当吸引力超过排斥力和热能时就会发生。表2列出了导致NCG形成的最常见的吸引力。

表1 化学交联NCG的典型反应

表2 导致NP网络形成的吸引力

然后，作者描述了NCG表征的方法。NCG的结构表征包括其组分（即单个纳米颗粒或纳米颗粒团簇）的尺寸、形状和空间分布，以及孔的尺寸和形状（图3）。NCG流变特性的表征提供了有关其凝胶动力学、结构、变形响应和松弛的丰富信息（图4）。典型特性包括凝胶时间、凝胶粘度、储能模量和损耗模量。透明度是NCG应用中的一个重要因素，可能会受到光散射的影响，该特性与凝胶中的孔尺寸、纳米粒子尺寸以及凝胶网络和介质的折射率差异密切相关。此外，理论模型被用作NCG结构研究的独立方法论和支持实验研究的工具。适用于胶体系统的模拟模型包括蒙特卡罗（MC）模拟、布朗动力学（BD）和分子动力学（MD）、总体平衡方程和自洽粒子模拟（SC）。

图3 (a)用于表征NCG结构的纳米颗粒尺寸相关实验方法；(b)具有不同分形维数的纳米粒子簇

图4 NCG的表征

然后，作者讨论了NCG的制造和加工。各种类型的印刷技术、微流体、静电纺丝、成型和自组装可用于制造不同形状、尺寸和结构的NCG（图5）。本文主要介绍了常用的三种制备方式：（1）NP自组装成3D网络通常用于NCG制备。胶体结构单元之间的吸引力是通过施加外部刺激来触发的，例如水介质的温度、pH值或离子强度的变化。（2）3D打印利用在软件控制的过程中以逐层方式沉积、连接或固化液体以形成3D物体的技术。这些技术用于制造具有复杂几何形状和结构的材料，包括结构各向异性材料。打印技术的重要特征列于表3。（3）微流体利用小体积（纳米到微升）液体的层流来制造颗粒或纤维形状的NCG。由于可以精确控制作为NCG前体的流体的流速以及微通道尺寸和几何形状，因此微流体策略可以精确控制NCG尺寸、形状和形态。

图5 NCG制备的制造和加工技术

表3 3D打印中NCG使用的基于流变学的要求

然后，作者描述了NCG的应用，包括用作驱动器（图6a）、可穿戴电子产品（图6b）、传感器（图6c）和用于图像记录、光学数据存储的应用（图6d）、吸附剂和生物学应用（图7）。

图6 NCG的部分应用

图7 NCG的生物学应用

最后，作者强调了NCG领域的未来研究方向。种类繁多的NP、NCG形成的不同机制以及从组织工程到水净化到光学和光电子学的广泛NCG应用，需要采用强有力的跨学科方法来进行NCG研究和开发。NCG的结构依赖性行为与NCG构建模块的特性相结合，激发了以下方面的研究工作：（i）新NCG构建模块的合成和利用；(ii)探索和发现NCG新的结构-性质关系，以及(iii)扩展和发现NCG新的高级应用。

文章来源：

https://doi.org/10.1039/D3CS00387F