記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團隊與合作者合作，首次利用氧化石墨烯的液晶行為和凝膠化能力，獲得具有環(huán)形極向結(jié)構(gòu)的凝膠，根據(jù)凝膠的微觀結(jié)構(gòu)來揭示水熱合成中的流體行為。該成果日前發(fā)表于著名期刊《物質(zhì)》上。

近100年來，水熱合成法得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，已成為合成單晶、金屬氧化物、陶瓷和納米復(fù)合材料等多種材料的常用方法。然而，水熱合成中所能獲得的信息僅限于輸入原料、輸出產(chǎn)物及反應(yīng)條件，人們對密閉體系反應(yīng)中的過程是如何發(fā)生的尚不清楚。為了有效地控制水熱合成產(chǎn)物的質(zhì)量，對其中傳熱傳質(zhì)過程的認識和理解就顯得尤為重要。因此，如何打開這個“黑匣子”，已成為水熱合成研究領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在水熱條件下，氧化石墨烯納米片在流體剪切力的作用下可以沿著流場的方向進行排列。此外，氧化石墨烯納米片能夠通過與酚醛樹脂的原位交聯(lián)固定形成具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的軸對稱凝膠。研究人員可以通過對凝膠形貌和結(jié)構(gòu)的直接觀察分析，進而推測出水熱合成中的流體行為。據(jù)此，研究人員開展了加熱溫度、溶液粘度和反應(yīng)釜尺寸/形貌等多個因素進行了研究。

研究結(jié)果表明，對于特定的反應(yīng)，溫差和反應(yīng)釜內(nèi)襯大小是影響對流的最主要因素。反應(yīng)釜體積越大，其中反應(yīng)液體的傳熱就更不均勻，溫差越大，對流就更強烈。增強對流的作用與機械擾動相同，產(chǎn)物均勻性變差，尤其是會對運用水熱法規(guī)模化合成納米線、納米片或大塊凝膠材料等產(chǎn)生不可忽視的影響，更強的流場會產(chǎn)生更多的雜質(zhì)或?qū)е氯S塊材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻等現(xiàn)象。

這項研究進一步增進了對水熱合成法制備不同尺度和形狀的微納材料過程及機理的理解，對今后水熱法合成納米材料技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。