油和水无法混合，但在配方中加入合适的纳米粒子，就可以将这两种无法混合的液体转化为一种奇异的凝胶，其使用范围可从电池、滤水器到变色智能窗户。一种创造这种不同寻常的软材料的新方法可以将它们带出实验室并投入市场。

其他凝胶制成方法是让纳米粒子停留在凝胶的两种组成溶剂之间的界面（左上），与之不同，新方法是将纳米粒子集中在一种溶剂的内部（右上），使生成的“种子凝胶”具有不同寻常的机械强度。该方法将能使凝胶以工业规模生产，具有广泛的潜在应用。（图片来源：N.Hanacek/NIST）

美国国家标准与技术研究院（NIST）和特拉华大学（University of Delaware）的科学家们发现了一种更好的方法来制造这些凝胶，这是十多年来研究的热点领域。它们潜在的广泛用途之一，是在它们内部形成一组复杂的、相互连接的微观通道，组成一种类似海绵的结构。这些通道不仅为其他材料提供贯穿路径，因此可做过滤材料，而且还为凝胶提供了大量的内部表面积，这一特性对于加速化学反应或作为活组织生长的支架很有价值。

尽管上述种种优势听起来就像是凝胶创新者发现了油矿，但事实上他们的发明还没有很好地融入市场。这种凝胶通常是由两种液体溶剂混合在一起形成的。就像油和水一样，这些溶剂不能很好地混合，但是为了防止它们完全分离，研究人员添加了定制设计的纳米粒子，它可以停留在它们之间的界面上。仔细烧煮这些材料可以形成一种粘着在一起的凝胶。然而，这一过程要求很高，因为为每种应用定制纳米粒子非常困难，而且形成凝胶需要仔细控制快速的温度变化。这些限制因素使得这种凝胶的制造难度很大，只能用于实验室实验，而不能投入工业生产。

正如《自然通讯》杂志的一篇新论文所描述的那样，NIST/Delaware团队已经找到了避开许多这些问题的方法。这种新方法制作出了研究人员所说的“种子凝胶”，即“溶剂分离驱动凝胶”。他们设计的纳米粒子集中在一种溶剂中，而不是在两种溶剂之间的界面上。虽然这些粒子常常相互排斥，但它们对其中一种溶剂的亲和力更强，因此能一起聚在通道中。利用NIST中子研究中心（NCNR）的中子散射工具，团队明确地证明了他们已经成功地将纳米粒子集中到他们想要的地方。

这种制造凝胶的方法要容易得多，因为它的两种溶剂就是油和水，而它的纳米粒子是二氧化硅——本质上是普通石英的微小球体。它还可以有多种工业用途。

“我们的种子凝胶有很大的机械强度，它更容易制造，而且这个工艺可以扩展到符合制造商的需要，”Yun Liu说，他是NCNR的科学家和特拉华大学的联合正教授。“另外，它是热可逆的。”

这种可逆性是指成品种子凝胶具有的一种光学特性：它可以通过改变温度从透明到不透明，再复原原貌。这种特性可以用到两块玻璃之间夹一层薄凝胶的智能窗户上。

“这种光学特性也可以使种子凝胶在其他光敏应用中发挥作用，”同样在NCNR工作的特拉华大学研究员Yuyin Xi说。“它们可以用于传感器。”

这种凝胶生成方法还可以用于其他溶剂和纳米粒子的组合，因此可能会在净水过滤器中发挥作用，也可能在其他取决于纳米粒子具体类型的过滤过程中发挥作用。

Liu还表示，这种制造方法可以通过改变形成过程中温度变化的速率来调节凝胶内部通道的大小，这为应用设计者提供了另一个可以探索的自由度。

“我们的方法通用于许多不同的纳米粒子和溶剂，”他说。“这极大地扩展了这类凝胶的应用。”