水熱法合成的流體行為揭示

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊(duì)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)烈。增強(qiáng)對流的作用與機(jī)械擾動相同，產(chǎn)物均勻性變差，尤其是會對運(yùn)用水熱法規(guī)?；铣杉{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(qiáng)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(xiàng)研究進(jìn)一步增進(jìn)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(jī)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。