暨南大学刘明贤教授团队在基于粘土纳米管与苯乙烯电子转移反应的超分子凝胶的合成方面取得进展

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超分子是指分子间通过非化学键的结合力自组装而形成一定结构的分子团。低分子量分子以非共价键相互作用自组装形成特定的三维网络，进而将溶剂固定形成超分子凝胶。超分子凝胶是一种独特且重要的软物质材料，可用于制备多重响应性材料、光电功能材料以及催化材料，或者可运用于药物释放、组织工程等生物医学领域。

近日，暨南大学刘明贤教授团队在Chemical Communications (1区，影响因子: 6.164 )上发表题为“Synthesis of supramolecular gels based on electron-transfer reactions between clay nanotubes and styrene”的快报文章。刘明贤教授是该文通讯作者，硕士研究生郑静琪为第一作者。

超分子凝胶是一类重要的软物质材料，也处于研究热潮当中。前人研究指出，黏土与某些不饱和有机溶剂发生电子转移反应后可进行聚合。目前，没有关于小分子有机溶剂和黏土形成超分子凝胶的相关报道。1968年，Solomon等人发现黏土（如凹凸棒土和蒙脱石）与某些不饱和有机溶剂如苯乙烯(St)可以发生电子转移反应。在特定的条件下，有机物在电子转移后有了活性而进行聚合。然而，并没有有机小分子和黏土形成凝胶的发现。本工作报道了St和埃洛石(HNTs)形成稳定超分子凝胶的现象，并阐述了超分子凝胶的形成机制。这项工作可作为超分子凝胶研究的一个新方向。

这项工作指出，在超声过程中St和HNTs发生了电子转移反应。St提供电子，而HNTs提供电子接受位点。发生电子转移后，带正电的St预聚物和带负电的HNTs之间产生静电相互作用。当St预聚物足够多时，HNTs管外则形成了一层St液层。在超声作用下，HNTs团聚物在St中被分散成小团簇。由数个纳米管组成的团簇通过强静电作用均匀分布在St介质中。然而，定量确定HNTs和St之间电子转移是具有挑战性的。

图1. St和粘土的电子转移机理(A)和St@HNTs超分子凝胶形成的示意图(B)

St的外观清晰透明。随着HNTs添加量的增加，混合物的透明度略有下降。当HNTs的浓度高于90.9 mg/mL时，St和HNTs的混合物开始呈现凝胶状态。即使倒置瓶子，瓶中的物质也不会流动。加入过量的HNTs时，混合物变成黄色凝胶，且凝胶不具备透明性。具有高长径比的HNTs在有序排列时，在偏光显微镜下能够观察到偏光现象。

图2. St@HNTs外观图(A)和偏光显微镜图(B)

HNTs在St溶剂中分散后易形成环状的分散状态，而HNTs在水中则会形成随机的纳米管分散或者堆叠状态。St@HNTs凝胶的稳定性来源于HNTs的网状结构。St@HNTs 100-20凝胶的溶剂挥发后，HNTs是以一定排列方式的簇状堆叠的，并且HNTs簇之间存在一定的间隙。这些间隙应是St溶剂在凝胶中存在的位置。HNTs以相同的浓度分散在水中，将溶剂干燥后剩余的骨架中的HNTs呈现无序堆积，形成相对平坦的表面。

图3. 分散在St溶剂(A)和水(B)的HNTs的TEM图；St@HNTs 100-20(C)和HNTs水分散液(D)干燥后的SEM图

综上所述，这项工作阐述了St@HNTs凝胶的形成机理，探究了St和HNTs之间的电子转移反应，表明了凝胶在传感器、模板和凝胶燃料等领域中潜在的应用前景。

上述工作得到了国家自然科学基金的资助(51502113)。

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/cc/c9cc04102h

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