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低分子量凝膠劑基於偏二甲基聯吡啶的超分子晶體凝膠:凝膠動力學與溫度敏感性


核心概念
偏二甲基聯吡啶基低分子量凝膠劑可通過自組裝形成具有分形結構的球晶體網絡,其結構和機械性能可通過調節冷卻溫度進行調控。
摘要

本研究探討了基於偏二甲基聯吡啶的超分子晶體凝膠的形成動力學和結構特性。實驗結果表明:

  1. 偏二甲基聯吡啶凝膠劑直接自組裝成中空管狀納米纖維,這些纖維隨後聚集形成微米至毫米級的球晶體。

  2. 球晶體的生長遵循Avrami理論,是由預先存在的核心驅動的,生長過程受界面控制,並伴隨著分支形成分形結構。

  3. 降低冷卻溫度會導致形成更密集和更小的球晶體,但凝膠的彈性模量並不會顯著受到冷卻溫度的影響。這可能是因為球晶體的密集化是以牺牲球晶體之間的連接為代價的。

  4. 通過結合顯微鏡成像、吸收光譜和流變學測量,我們確定了Avrami指數n的各個組成部分:nN=0表示由預先存在的核心驅動,nG=1表示界面控制生長,以及d=pabs=pSALS表示生長呈現分形特性。

總之,本研究揭示了調節冷卻溫度可以調控偏二甲基聯吡啶基超分子晶體凝膠的結構和機械性能,為設計具有可調性能的功能性凝膠材料提供了新的思路。

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統計資料
偏二甲基聯吡啶凝膠劑的最大溶解度Ceq隨溫度降低而降低。 球晶體的生長速度v約為2 μm/s,並隨溫度升高略有降低。 球晶體的最終半徑r∞隨溫度升高而增大,從200 μm增加到800 μm。 球晶體的分形維數df隨溫度升高而降低,從2.5降低到1.7。 凝膠時間tg與由顯微鏡和吸收光譜測量得到的核化時間tabs N 量級相當。
引述
"偏二甲基聯吡啶凝膠劑直接自組裝成中空管狀納米纖維,這些纖維隨後聚集形成微米至毫米級的球晶體。" "降低冷卻溫度會導致形成更密集和更小的球晶體,但凝膠的彈性模量並不會顯著受到冷卻溫度的影響。" "通過結合顯微鏡成像、吸收光譜和流變學測量,我們確定了Avrami指數n的各個組成部分:nN=0表示由預先存在的核心驅動,nG=1表示界面控制生長,以及d=pabs=pSALS表示生長呈現分形特性。"

深入探究

如何進一步調控偏二甲基聯吡啶基凝膠的結構和性能,例如通過引入其他功能性基團或改變溶劑?

要進一步調控偏二甲基聯吡啶基凝膠(如Chol2V²⁺)的結構和性能,可以考慮以下幾個策略: 引入其他功能性基團:通過在偏二甲基聯吡啶的分子結構中引入不同的功能性基團,可以改變其自組裝行為和相互作用。例如,添加氫鍵供體或受體基團可以促進更強的分子間相互作用,從而影響凝膠的穩定性和彈性。此外,改變基團的極性或疏水性也能調整凝膠的溶解性和相容性。 改變溶劑:選擇不同的溶劑可以顯著影響凝膠的形成和性能。溶劑的極性、沸點和分子結構都會影響偏二甲基聯吡啶的溶解度和自組裝過程。例如,使用更極性的溶劑可能會提高凝膠的導電性,因為它能夠更好地溶解和穩定帶電的基團。此外,溶劑的揮發性也會影響凝膠的結構形成速率和最終的微觀結構。 調整冷卻速率和溫度:通過改變冷卻速率和最終冷卻溫度,可以調控凝膠的結構特徵,如球晶的大小和分佈。研究表明,較低的冷卻溫度會導致更小且更密集的球晶結構,這可能會影響凝膠的機械性能和導電性。

偏二甲基聯吡啶基凝膠的導電性如何受到球晶體結構的影響?是否可以通過調控結構來調節導電性能?

偏二甲基聯吡啶基凝膠的導電性與其球晶體結構密切相關。球晶的大小、形狀和分佈會影響凝膠中離子的運動和傳導路徑。具體來說: 球晶的大小和密度:較小且密集的球晶結構通常會提供更多的界面,這些界面可以促進離子的運動,從而提高導電性。相反,較大的球晶可能會導致導電性降低,因為它們可能形成較少的接觸點,限制了離子的流動。 結構的連通性:球晶之間的連接性對導電性也至關重要。當球晶之間的連接較弱時,可能會形成更多的空隙,這會降低整體的導電性。因此,通過調整球晶的結構和相互連接的方式,可以有效地調節凝膠的導電性能。 調控結構以調節導電性:可以通過改變冷卻溫度、冷卻速率或引入其他功能性基團來調整球晶的結構。這些改變會影響球晶的形成和生長,進而影響凝膠的導電性。例如,較低的冷卻溫度可能會導致更小的球晶和更高的導電性。

除了機械性能,偏二甲基聯吡啶基凝膠在其他領域,如生物醫療、能源儲存等方面的應用潛力是什麼?

偏二甲基聯吡啶基凝膠在多個領域展現出廣泛的應用潛力,特別是在生物醫療和能源儲存方面: 生物醫療應用:由於其良好的生物相容性和可調的導電性,偏二甲基聯吡啶基凝膠可用於藥物傳遞系統和生物傳感器。這些凝膠可以作為藥物的載體,實現控釋,並且能夠在生物環境中響應不同的刺激(如pH、溫度等),從而提高治療效果。此外,這些凝膠的導電性使其在神經修復和再生醫學中具有潛在應用。 能源儲存:偏二甲基聯吡啶基凝膠的導電性和可調性使其成為優秀的電池和超級電容器材料。這些凝膠可以用作電解質,提供高效的離子傳導,從而提高能量儲存裝置的性能。此外,通過調整凝膠的結構,可以進一步優化其導電性和穩定性,滿足不同應用的需求。 環境應用:這些凝膠還可以用於環境監測和污染物去除。其可調的結構和導電性使其能夠有效地吸附和檢測環境中的有害物質,從而在環境保護方面發揮重要作用。 總之,偏二甲基聯吡啶基凝膠的多功能性和可調性使其在生物醫療、能源儲存及環境應用等領域具有廣泛的應用潛力。
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