油和水在正常情况下是无法混合的，但若在配方中添加适合的纳米粒子，就可以将这两种不混溶的液体转化为一种神奇的凝胶。这种凝胶十多年来一直是研究的热门领域，它可使用在电池制造、滤水器和可变色的智能窗户中。其潜在的广泛用途之一，是在凝胶内部形成一组复杂的、相互连接的微观通道，从而形成一种类似海绵的结构。这些通道不仅为其他材料提供了路径，使其可用于过滤，同时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。

这些优势听起来像新型凝胶已经取得了巨大成功一样，然而事实上这一创新还没有很好地融入市场。这种凝胶通常由两种液体溶剂混合而成，就像油和水一样，这些溶剂不能很好的混合。因此，为了防止它们完全分离，美国国家标准与技术研究院(NIST)和特拉华大学的科学家们发现了一种更好的方法来制备这些凝胶。研究人员添加了定制设计的纳米粒子，这些粒子可以停留在它们之间的界面上，通过一系列的反应，这些原料可以形成一种有粘性的凝胶。然而，这一过程要求很高，因为帮助每种应用定制设计纳米粒子一直很困难，而且形成凝胶需要精准快速地控制温度变化。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，而不能用于工业生产。

正如在《自然通讯》杂志的一篇新论文中所描述的那样，NIST 和特拉华大学的团队已经找到了解决这一问题的方法。新方法形成了研究人员所称的“种子凝胶”（SeedGel），即“溶剂分离驱动凝胶”的缩写。与其专门设计纳米粒子，不如将选好的纳米粒子集中在一种溶剂中。虽然这些粒子倾向于互相排斥，但粒子对其中一种溶剂的亲和力更强。研究小组使用NIST中子研究中心（NCNR）的中子散射工具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。

由此生成的凝胶会更容易制造，因为它的两种溶剂本质上是油和水，而其纳米颗粒是二氧化硅——本质上是普通石英的微小球体。

图片来源：N.Hanacek/NIST

通常情况下，纳米粒子停留在凝胶的两种组成溶剂之间的界面上(左上图)，新方法将纳米粒子集中在一种溶剂的内部(右上图)，使生成的“种子凝胶”具有不同寻常的机械强度。该方法可以使得凝胶在工业生产中被批量制造，并具有广泛的潜在应用价值。

“我们的种子凝胶具有很高的机械强度，易于制造，并且加工工艺可以根据制造商的需要进行扩展，” NCNR科学家、特拉华大学副教授Yun Liu说， “而且它是热可逆的。”

这种可逆性是指成品种子凝胶具有的光学特性：只需更改其温度，它就可以从透明切换为不透明，然后再切换回来。这种特性可以用在智能窗户上，在两块玻璃之间夹一层薄薄的凝胶。

特拉华大学的研究员Yuyin Xi表示：“这种光学特性也可以使种子凝胶在其他光敏应用中发挥功效，例如传感器。”

因为该团队的凝胶制造方法可以用于其他溶剂和纳米颗粒的组合，所以该方法可用于净水过滤器以及其他可能的过滤过程。

Liu还表示，该凝胶制造方法允许通过改变温度变化速率来调整凝胶中通道的大小，从而为应用者提供了更大的设计空间。Liu说：“我们的方法适用于多种纳米颗粒和溶剂，它极大地扩展了这类凝胶的应用范围。”