易揮發(fā)的有機(jī)液體，比如汽油，由于其揮發(fā)性和可燃性，在空氣中易于達(dá)到其爆炸極限濃度，因此該類物質(zhì)的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、回收是一大難題。目前最為常見(jiàn)的辦法就是將它們密封存儲(chǔ)于陰涼干燥通風(fēng)處，但是這種辦法往往因?yàn)榇鎯?chǔ)環(huán)境的易改變，導(dǎo)致有不小的安全隱患。還有一種辦法就是將它們凝膠化，在我們生活中最為常見(jiàn)的例子就是固體酒精。
如果能夠大批量地生產(chǎn)出能夠吸附有機(jī)液體的功能性有機(jī)凝膠材料，并且在需要有機(jī)液體時(shí)能夠安全、便捷的從凝膠中還原釋放出有機(jī)液體，這一問(wèn)題就將迎刃而解。然而，揮發(fā)性有機(jī)液體分子之間的相互作用力較弱，阻礙了這種有機(jī)凝膠材料的發(fā)展。
目前研究較多的高溶劑含量的超分子有機(jī)凝膠從應(yīng)用角度來(lái)講，還有很多需要克服的困難。首先，這類凝膠劑制備過(guò)程繁復(fù)，產(chǎn)量也較低，從而導(dǎo)致制備大尺寸的凝膠難度較大；其次，這類凝膠形成過(guò)程中通常需要加熱、光照等外場(chǎng)作用或者額外的添加劑；再有，最終得到的凝膠機(jī)械強(qiáng)度也較差，大多數(shù)無(wú)法自支撐，只能存在于試管中。
而清華大學(xué)化學(xué)系王訓(xùn)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種利用堿土金屬離子鈣離子、多金屬氧酸鹽及油胺形成的亞納米線狀材料，這種材料可以和十多種易揮發(fā)的有機(jī)液體形成有機(jī)凝膠，利用少量的該材料（0.53%）即可以使得大量的有機(jī)液體凝膠化，僅需要離心即可將該亞納米線狀材料與有機(jī)液體分離，同時(shí)還能重復(fù)利用10次以上。
日前，王訓(xùn)教授課題組在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了他們的這項(xiàng)研究成果——《無(wú)機(jī)亞納米線有機(jī)凝膠鎖定易揮發(fā)有機(jī)分子》。該類凝膠還展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性：在密閉的容器中貯存兩個(gè)月還可以穩(wěn)定存在，在低至液氮的溫度下冷凍解凍后沒(méi)有明顯的損壞。這意味著這種新型功能化有機(jī)凝膠的批量生產(chǎn)和有機(jī)液體的安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸和釋放、回收將成為可能。
回首研究的路程，并不是一帆風(fēng)順的。
從根本上講，無(wú)機(jī)材料與高分子材料是兩類傳統(tǒng)意義上截然不同的材料。高分子材料通常具有明顯的結(jié)構(gòu)柔性及良好的加工特性，無(wú)機(jī)材料則光電磁性質(zhì)優(yōu)異。然而無(wú)機(jī)材料多由極性化學(xué)鍵構(gòu)筑，在機(jī)械加工上往往表現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)，一定程度上限制了該類材料的實(shí)際應(yīng)用范圍。如何使無(wú)機(jī)材料在本征上具備高分子材料的柔性基本力學(xué)特征，將與高分子材料相比較更為優(yōu)異的光電磁特性與柔性、可加工性等力學(xué)特性相結(jié)合，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題。
2010年左右，王訓(xùn)課題組在研究過(guò)程中敏銳的意識(shí)到，將與線性高分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似的無(wú)機(jī)納米線直徑減小到與高分子直徑相當(dāng)?shù)膩喖{米尺度，將可能成為解決這一難題的切入點(diǎn)。自那時(shí)候開(kāi)始，王訓(xùn)教授課題組一直從事著納米材料合成方法學(xué)的研究。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，組內(nèi)博士生胡適（現(xiàn)任天津大學(xué)教授）發(fā)現(xiàn)直徑非常細(xì)的羥基氧化釓納米線分散在非極性溶劑環(huán)己烷等中時(shí)會(huì)發(fā)生粘度增加、經(jīng)過(guò)放置可以在試管中形成凝膠等現(xiàn)象后，王訓(xùn)教授在國(guó)內(nèi)外率先提出了亞納米尺度材料的概念，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)亞納米線在宏觀性質(zhì)上可表現(xiàn)出眾多與高分子體系類似的特征，如高粘度、高柔性、可組裝、可成膜、可凝膠化等。從那以后，王訓(xùn)就要求每位同學(xué)都要關(guān)注無(wú)機(jī)亞納米線的粘度和成膠特性。
在隨后的十來(lái)年時(shí)間中，王訓(xùn)課題組一直致力于發(fā)展不同體系無(wú)機(jī)亞納米線的合成，寄希望于通過(guò)對(duì)組分的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀作用力的優(yōu)化，以提升凝膠的力學(xué)性質(zhì)。然而，不管是單元組分還是晶核-團(tuán)簇異質(zhì)雙組分亞納米線，盡管都可以普遍性的呈現(xiàn)出形成凝膠的行為，其力學(xué)性質(zhì)提升上卻收效甚微。雖然團(tuán)隊(duì)曾數(shù)次得到過(guò)類似的凝膠材料，但高溫高壓等復(fù)雜的制備條件卻限制了其量產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。
從2015年開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)成員張思敏博士就一直專注于無(wú)機(jī)亞納米線與凝膠制備的研究工作，但當(dāng)時(shí)這一領(lǐng)域尚無(wú)其他團(tuán)隊(duì)涉足，可供參考的研究文獻(xiàn)也僅僅局限于王訓(xùn)團(tuán)隊(duì)各位成員的研究成果，導(dǎo)致研究過(guò)程起步異常艱難。
直到2019年，在一次實(shí)驗(yàn)后，張思敏在例行觀察時(shí)將試管倒置，卻發(fā)現(xiàn)其中的凝膠落地后沒(méi)有摔碎。為了研究其形成過(guò)程，她選擇先在室溫而非高溫條件下進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，卻不料直接制備得到了彈力球一般的凝膠。這是一項(xiàng)不同尋常的發(fā)現(xiàn)，意味著通過(guò)簡(jiǎn)單的室溫?cái)嚢瑁瑘F(tuán)隊(duì)幾乎能夠“想制備多少凝膠就能制備多少”。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究測(cè)試和文章修改，《無(wú)機(jī)亞納米線有機(jī)凝膠鎖定易揮發(fā)有機(jī)分子》終于發(fā)表在了《科學(xué)》期刊上。
“我堅(jiān)信無(wú)機(jī)亞納米線這一方向能夠成功，這個(gè)信念支撐著我們一路走了下來(lái)。”王訓(xùn)認(rèn)為，正是“打通無(wú)機(jī)材料與高分子材料這兩大類傳統(tǒng)意義上截然不同的材料之間的界限”這一想法所代表的巨大挑戰(zhàn)與機(jī)遇，才有了團(tuán)隊(duì)今天的成果。
目前，王訓(xùn)教授團(tuán)隊(duì)在無(wú)機(jī)亞納米黏結(jié)劑、無(wú)機(jī)亞納米線偏光片等方面進(jìn)展順利，但他們表示，包括這次發(fā)表的研究結(jié)果在內(nèi)的進(jìn)展都只是團(tuán)隊(duì)研究計(jì)劃的一部分，打通無(wú)機(jī)材料與高分子材料兩者之間的界限，是團(tuán)隊(duì)更大的目標(biāo)。
“也許有些目標(biāo)永遠(yuǎn)成功不了，但科學(xué)研究的樂(lè)趣就在于挑戰(zhàn)。”王訓(xùn)說(shuō)道。
