9月8日，国际权威期刊《Advanced Materials》（影响因子：29.4）在Early View栏目下在线发表了我院高远研究员与美国弗吉尼亚大学、密歇根州立大学合作的关于液体抗冲击装置的最新研究成果“A Nanoconfined Water–Ion Coordination Network for Flexible Energy-Dissipation Devices（纳米限域作用下的水-粒子作用网络对柔性抗冲击结构的作用）”。该论文入选了“Rising Star（明日之星）”特辑，我院高远研究员为第一、通讯作者，弗吉尼亚大学许宝星副教授、密歇根州立大学陆唯一副教授为本文共同通讯作者，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位。
纳米限域作用会导致液体具有与宏观尺度下截然不同的力学与热学性质，而这些独特的性质能够被用于新型的纳米流体功能器件。例如，疏水纳米孔与水的限域相互作用能够被用于设计柔性抗冲击系统。得益于纳米孔材料极高的表面积（~1000 m2/g)，该系统的能量耗散效率 ~100 J/g。而当限域液体为水溶液时，溶质离子会影响水分子间固有的氢键网络，从而改变限域流体的力学性质，影响抗冲击系统的性能。由于限域状态特殊的空间尺度，水与离子的相互作用无法用传统的结构缔造者/破坏者（Structure maker/breaker）解释，但该作用对于抗冲击系统的性能至关重要。因此，探究水与溶质离子在限域作用下的相互作用机理对于液体抗冲击系统的设计与优化具有深刻的意义。
该工作采用分子动力学计算的研究方法，分析了被二氧化硅管限域的氯化锂电解液，揭示了水分子与离子的相互作用机制。结果显示，离子虽然阻断了部分氢键的形成，破坏了氢键网络，但离子与水之间的相互作用与氢键的强度和稳定性接近，也能够被认为是水-离子相互作用网络的一部分。该文据此提出了“水-离子作用网络”的概念，并量化分析了水-离子结合网络的强度、调控方式与相应的分子机理。
更进一步的计算研究表明，当溶质浓度更大时，作用网络更多由离子-离子作用、离子-水作用构成。上述作用在替代了原有的水-水（氢键）作用的同时，获得了更高的网络密度，说明离子-水、离子-离子、水-水三种相互作用具有不同的强度和稳定性。因此，本工作进一步对三种相互作用进行了动力学分析，发现离子-离子相互作用的能量最强，生命时长最长，离子-水作用次之，而原本的氢键相互作用最弱且生命时长最短。以上发现很好地解释了体系内聚能随着溶质浓度上升而增强的趋势。更高的溶质浓度可以促进团簇的形成，并且增强原有氢键网络的稳定性。综合考虑以上计算结果，水-离子作用网络能够增加被限域液体的内聚能。
该工作进一步将机制运用到了柔性抗冲击装置当中，该装置采用柔性高分子薄膜，其中装载了氯化锂溶液，氯化锂溶液中又混合了许多疏水纳米孔。由于疏水纳米孔的憎水特质，水无法自发浸润纳米孔。当外界的力学冲击作用域装置时，迅速升高的压强会迫使液体浸润纳米孔。在浸润过程中，液体和纳米孔的摩擦作用将有效耗散冲击机械能。当液体完全浸润纳米孔时，水和溶质离子会形成高内聚能的作用网络。在冲击加载达到顶峰开始下降后，水-离子作用网络会发挥进一步的减压作用，使得力学冲击压强更迅速地降低，其减压效果好过液体为纯水的抗冲击系统。更深入的理论计算发现，该减压效果取决于固液界面能密度、环境温度、纳米孔的直径等多个因素。因此，该文提出了耦合上述因素的理论模型，综合预测了抗冲击装置的减压能力，并通过分子模拟与实验进行了验证。
该工作为设计基于纳米限域流体的功能装置提供了理论依据和初步的实验证明，后续的研究结果有望应用于运动器械、交通工具的安全系统，以及极端工作条件设备的保护装置当中。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202303759
学院微信公众号
