西北大學的科學家們開發了一種新型液體材料，能夠在單一系統中收集、儲存及釋放能量。該材料不含金屬和塑料，能夠在光或電等能源的驅動下，從流體物質轉變為高能量密度的凝膠以儲存能量，然後只需暴露於空氣中即可重新變回液體。這種可持續和適應性的平台消除了對硬體組件的需求，為清潔能源和柔性電子設備開闢了新的可能性。“我們的材料能夠按需儲存和釋放能量，這使其在能源儲存、環境修復及下一代柔性電子產品中具有潛在的應用價值，”該研究的資深作者薩繆爾 I. 斯圖普表示。
為了構建這種材料，研究團隊從人體細胞的細胞骨架中獲取靈感。細胞骨架極具動態性，不斷建構、分解和重建自身，以幫助細胞移動和分裂。西北大學的研究人員設計了一種物質，能夠在管理能量的過程中物理性地建造、拆卸和重建自己。該材料在來自陽光或 X 射線等外部電子的驅動下，最初的黃色液體轉變為高能量的黑色凝膠，能夠儲存能量數月並驅動化學反應。整個過程在暴露於空氣中時無縫重置，凝膠便會溶解回液態，允許其反復充電和重用。
新型液體材料具備多種應用潛力
斯圖普表示：“活系統是極其動態的。它們不斷建構結構，分解它們，然後再重建。我們希望創造一種合成材料，讓它在執行有用功能的同時表現出類似的行為。”為了克服能源收集、儲存和使用需要分開設備的限制，研究人員使用了能夠自我組織成更大網絡的超分子材料。他們設計了一種名為 ANI-MV 的定製分子，將兩個功能組件整合到一個系統中：一個對光響應的氨基萘芳香單元（ANI）和一個儲存捕獲電子的甲基紫羅蘭（MV）單元。
當光響應的 ANI 部分吸收能量時，會將電子轉移到 MV 部分，導致相鄰分子之間強烈吸引並形成稱為 pimers 的對。在此過程中，這些 pimers 組織成具有自由移動、去局域化電子的半導體納米級帶，最終糾纏成黑色凝膠。這一網絡在其結構中儲存電子，標誌著首個由電子儲存分子對構建的超分子聚合物 pimer 的實際例子。在實驗室實驗中，研究人員展示了該材料的顯著多功能性，通過化學燃料、光、電力或 X 射線觸發其從黃色液體轉變為富含能量的導電黑色凝膠。
由於光能夠選擇性地針對流體，科學家們能夠打印出微觀導電圖案，這些圖案在暴露於空氣後會完全消失，將凝膠恢復為非導電液體團塊。
此外，這種儲存的能量可以轉移到氧氣上，生成高度反應性分子，使凝膠能夠在完全黑暗中驅動化學反應。這一過程被稱為暗光催化。斯圖普表示：“大多數光驅動材料在光源消失後會停止工作。我們的材料使得一種‘暗光催化’成為可能。”研究人員預見這種材料將為從環境修復、清潔能源到適應性柔性電子產品等多個應用提供動力。該研究於 6 月 11 日發表在《Chem》期刊上。
