智能材料是材料科學領域的最新革命，可以根據其周圍環境的變化來調整其屬性。它們可以被用於從自我修復的手機屏幕，到會變形以獲得更好氣動性能的飛機機翼，以及有針對性的藥物輸送等各個方面。使用智能材料將藥物輸送到體內的特定目標，對於像癌症這樣的疾病尤其重要，因為智能材料只有在檢測到癌細胞的存在時才會釋放藥物載荷，而健康細胞則不會受到傷害。
現在，新加坡國立大學（NUS）先進二維材料中心（CA2DM）的研究人員創造了一類新的智能材料。它具有二維（2D）材料的結構，但表現得像電解質，這使其可能成為在體內輸送藥物的一種新方式。
就像傳統的電解質一樣，這些新的 “二維電解質”在不同的溶劑中解離其原子，並變得帶電。此外，這些材料的排列可以由外部因素控制，如pH值和溫度，這是定向藥物輸送的理想選擇。二維電解質還顯示了其他需要材料對環境變化做出反應的應用的前景，如人造肌肉和能量儲存。
二維電解質背後的團隊由CA2DM主任Antonio Castro Neto教授領導，成員包括來自CA2DM、新加坡國立大學物理系和新加坡國立大學材料科學與工程系的研究人員。
他們的開拓性成果於2021年5月發表在著名的《先進材料》雜誌上。
在材料科學中，二維材料是一種存在於單層原子中的固體材料。它可以被認為是一個原子薄片，有特定的高度和寬度，但實際上沒有深度，因此，它本質上是二維的。另一方面，電解質是一種物質，它在溶解於溶劑（如水）時產生導電的懸浮液。
通過改變懸浮液的pH值，新加坡國立大學的研究人員證明了二維電解質片有能力捲起成捲軸狀排列。這與帶電聚合物從分子鏈過渡到球狀物體的方式相似。
今天有許多二維材料存在，而且電解行為已經在無數其他化合物中得到了充分證實。然而，新加坡國立大學研究人員的研究結果顯示，首次出現了同時具有二維結構和電解質特性的材料，尤其是在液體介質中可逆地改變其形態的趨勢。新加坡國立大學的團隊通過使用有機分子作為反應性物種，向石墨烯和二硫化鉬（MoS2）等二維材料添加不同的功能，實現了這一成就。
Castro Neto教授解釋說：”通過添加不同的化學基團，使其在溶劑中帶正電或負電，我們改變了傳統的二維材料，並提出了一類新型的智能材料，其電子特性受形態構象的控制。”
研究人員用來創造二維電解質的方法只是許多潛在選擇中的幾個可能的例子，使這一發現成為一個令人興奮的新的研究領域。
這項研究的一個重大突破是，二維電解質的方向可以通過調整外部條件而可逆地改變。目前，二維材料的表面電荷之間的電斥力導致它被鋪成一張平面。通過改變懸浮液的pH值、溫度或離子濃度，新加坡國立大學的研究人員證明了二維電解質片的變形能力和形成捲軸狀排列。這些實驗結果得到了詳細的理論分析的支持，他們在理論分析中解釋了捲軸形成和穩定性背後的物理機制。
這些捲軸方向具有如此小的直徑，它們可以被描述為一維（1D），從而導致不同的物理和化學性質。此外，這種從二維到一維的轉變是可逆的，通過改變外部條件回到它們的原始值。
Castro Neto教授說：”我們可以把二維電解質看作是一維電解質的高維類似物，通常被稱為聚電解質。聚電解質的重要例子包括許多生物相關材料，如DNA和RNA。當加入酸、鹼或鹽時，這些帶電的聚合物也會發生構象轉變，從一維的分子鏈轉變為零維的球狀物體，反之亦然。我們的二維電解質，與聚電解質類似，顯示出從二維到一維的可逆轉變，作為外部因素的函數。作為刺激性反應材料，它們適合於創造最先進的技術。”
發現這類材料為材料科學家開闢了新的探索領域，因為它將傳統上沒有聯繫的兩個研究領域結合起來，即物理學領域的二維材料和電解質（電化學領域）。
“對石墨烯和其他二維材料進行功能化以將其轉化為二維電解質的方法數不勝數。我們希望，我們的工作將激勵來自不同領域的科學家進一步探索二維電解質的特性和可能的應用。我們預計，由於二維電解質與生物或自然系統有相似之處，它們能夠自發地自我組裝和交聯，形成納米纖維，有望應用於過濾膜、藥物輸送和智能電子紡織品，”Castro Neto教授解釋說。