材料和装置制造方法及图纸

我们描述了可逆循环相变流体，其包含：极性工作流体；密度大于3000kg/m

Materials and devices

We describe a reversible circulatory phase change fluid, which consists of a polar working fluid; the density is greater than 3000kg/m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】材料和装置专利
本专利技术涉及包含分散在流体中的包覆的纳米粒子的复合材料，并且涉及这样的材料的应用。导致本专利技术的工作以欧盟第七框架项目(FP7/2007-2013)/ERC赠款协议号320503受到了欧洲研究委员会的资助。专利技术背景所谓的“智能”聚合物材料，响应于刺激如pH、温度电场或磁场等的聚合物材料，已经被广泛研究用于传感器、致动器(actuator)和其他应用。一类应用是其中将能量如热被转化成某种形式的局部或整体的物理运动，所述物理运动随后可以被用于致动器或其他目的。然而，在亚微米尺度的典型致动力是非常低的，经常这些力仅可以缓慢地施加，并且难以实现控制。已经被提出用于这样的应用的材料的一个实例是温度响应性聚合物pNIPAM(聚(N-异丙基丙烯酰胺))。此前已在以下文献中研究了pNIPAM与金纳米粒子的组合：“热敏金纳米粒子(ThermosensitiveGoldNanoparticles)”，Ming-QiangZhu等，J.Am.ChemSoc，2004，126(9)，第2656页；“金纳米棒的光热触发自组装(Photothermally-triggeredself-assemblyofgoldnanorods)”，DanieleFava等，Chem.Commun.，2009，第2571-2573页；“光热混合PNIPAM-金纳米粒子的室温合成(RoomtemperaturesynthesisofanopticallyandthermallyhybridPNIPAM-goldnanoparticle)”，J.RubenMorones等，JournalofNanoparticleResearch2010年5月，第12卷第4期，第1401-1414页；“金纳米粒子/水凝胶复合材料的可热切换电子性能(ThermoswitchableElectronicPropertiesofaGoldnanoparticle/HydrogelComposite)”，XiuliZhao等，MacromolecularRapidCommunications，第26卷，第1784-1787页，2005年11月；和“新的‘智能’聚(NIPAM)微凝胶和纳米粒子微凝胶混合物：性能和表征中的优势(New‘smart’poly(NIPAM)microgelsandnanoparticlemicrogelhybrids：Propertiesandadvancesincharacterisation)”，MatthiasKarg等，CurrentOpinioninColloid&界面Science，第14卷，第6期，2009年12月，第438-450页。进一步的背景现有技术可以在US2010/0255311；US2012/0107549；JP2001/261845A；和US2013/0295585中找到。然而，尽管这些文献中的一些描述了有趣的行为，但它们没有描述良好适于实际应用的材料。因此，对于例如可以提供纳米致动器的有效操作的材料，仍然存在需要。对于这样的应用来说所需的特性包括大的力、快的操作和可重复性。专利技术概述因此，根据本专利技术，提供了一种可逆循环相变流体(reversiblecyclephasechangefluid)，所述可逆循环相变流体包含：极性工作流体(极性工作液，polarworkingfluid)；密度大于3000kg/m3的材料的纳米粒子；和可控的凝胶(受控凝胶，controllablegel)；其中所述凝胶具有亲水性占优势的(主要是亲水的，predominantlyhydrophilic)第一相和疏水性占优势的第二相，并且通过施加相变驱动因素(相变驱动措施或手段，phasechangedriver)在所述相之间是可切换的(可转换的，switchable)，所述第一相具有第一亲水性，所述第二相具有第二、较低的亲水性；其中当所述凝胶处于所述第一相并且被所述极性工作流体溶胀时，所述凝胶包覆所述纳米粒子至第一厚度，并且其中所述凝胶当处于所述第二相时包覆所述纳米粒子至第二、减小的厚度；其中当所述凝胶处于所述第一相时所述包覆的纳米粒子(coatednanoparticle)形成具有第一中值纳米粒子数(mediannanoparticlenumber)的簇或包含单个的(单独或个体的，individual)未成簇的纳米粒子，并且其中当所述凝胶处于所述第二相时所述包覆的纳米粒子形成具有第二较大的中值纳米粒子数的簇。在材料的实施方案中的广义术语中，当将凝胶从它的第二、疏水性占优势的相驱动到它的第一、亲水性占优势的相时，所述簇“爆炸”，在实施方案中，成为单个的纳米粒子。由于在成簇的状态储存的巨大弹性能量，这产生成比例的非常大的力。因此，技术人员将理解，如本文所使用的，可逆循环相变流体是这样的流体(液体)，其结合了经历相变的凝胶，在实施方案中是在溶胀状态和崩塌状态之间转变的聚合物。典型地，所述流体(液体)本身不经历这样的相变，尽管存在从单个的纳米粒子在所述液体中的分散体至成簇的纳米粒子在所述液体中的分散体的变化。在实施方案中，纳米粒子成为簇的聚集是自限性的(自我限制性的或自约束性的，self-limiting)，使得在第二相中这些簇在液体中保持为可溶的。因此，在实施方案中，簇中的纳米粒子的数量自限至最大数量(取决于簇内的电荷)，而不仅仅受可用的纳米粒子的数量限制。更特别地，在优选的实施方案中，(包覆的)纳米粒子是带电的，并且以此方式，当凝胶处于其疏水状态时纳米粒子之间的吸引力通过当所述簇达到极限尺寸时电荷之间的电排斥平衡。典型地，吸引力是强的，产生自溶剂化力，包括纳米粒子之间的范德华力。因为如此，在簇内可以储存非常大的弹性力，并且通过施加相变驱动因素以将凝胶从其疏水相切换到其亲水相而迅速释放。因此在实施方案中，流体的动电位(表面电位或ζ电势，zetapotential)也在当凝胶处于其疏水相时的相对较低的值和当凝胶处于其亲水相时的据称较高的值之间变化。优选地，纳米粒子是相对致密的，优选(尽管不是必需的)具有大于3000kg/m3的密度，使得范德华力相对大。在所述系统的一些优选实施方案中，当凝胶处于其疏水相时，在纳米粒子上的覆层(coating)相对薄，优选小于10nm、5nm或2nm。这允许包覆的纳米粒子彼此靠近，由此增加储存的弹性能量。这部分地例如通过对聚合物进行选择以具有小于阈值数均分子量得到促进；如技术人员将理解的，精确的数值将取决于所采用的聚合物。在上文和下文所述的系统的一些优选实施方案中，聚合物股(polymerstrand)的至少一些是自由漂浮在溶液中的。这些随后可以在高于Tc时结合至纳米粒子(并且可以当冷却到低于Tc时再次释放)。因此在一些优选的实施方案中，工作流体包含自由(游离，free)的凝胶(聚合物)分子。这看来在提供使组装/拆解过程高效运行方面具有显著的益处。因此，在所述系统的实施方案中，工作流体具有漂浮在(工作流体的)溶液中的凝胶/聚合物的分子，使得这些分子能够在纳米粒子形成簇时结合至纳米粒子。优选地，这些分子在簇解开聚集(解集或崩塌，disaggregate)时也能够从成簇的纳米粒子释放。在优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可逆循环相变流体，所述可逆循环相变流体包含：极性工作流体；密度大于3000kg/m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.04 GB 1513796.1;2016.04.19 GB 1606827.21.一种可逆循环相变流体，所述可逆循环相变流体包含：极性工作流体；密度大于3000kg/m3的材料的纳米粒子；和可控的凝胶；其中所述凝胶具有亲水性占优势的第一相和疏水性占优势的第二相，并且通过施加相变驱动因素在所述相之间是可切换的，所述第一相具有第一亲水性，所述第二相具有第二、较低的亲水性；其中当所述凝胶处于所述第一相并且被所述极性工作流体溶胀时，所述凝胶包覆所述纳米粒子至第一厚度，并且其中所述凝胶当处于所述第二相时包覆所述纳米粒子至第二、减小的厚度；其中当所述凝胶处于所述第一相时所述包覆的纳米粒子形成具有第一中值纳米粒子数的簇或包含单个的未成簇的纳米粒子，并且其中当所述凝胶处于所述第二相时所述包覆的纳米粒子形成具有第二较大的中值纳米粒子数的簇。2.如权利要求1所述的可逆循环相变流体，其中所述纳米粒子成为簇的聚集是自限性的，使得在所述第二相中所述簇在所述液体中保持可溶。3.如权利要求1或2所述的可逆循环相变流体，其中当所述凝胶处于所述第二相时，所述包覆的纳米粒子受到吸引力而将所述包覆的纳米粒子结合成簇，并且其中所述纳米粒子是带电的，使得所述吸引力通过所述电荷平衡，从而当所述凝胶处于所述第二相时使所述簇的尺寸稳定。4.如权利要求3所述的可逆循环相变流体，其中所述可逆循环相变流体的动电位在当所述凝胶处于所述第二相时的第一、较低的值和当所述凝胶处于所述第一相时的第二、较大的值之间变化。5.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中所述纳米粒子包含具有5nm的最小侧向尺寸的金属纳米粒子。6.如权利要求5所述的可逆循环相变流体，其中所述纳米粒子具有至少15nm的最小侧向尺寸和不大于300nm的最大侧向尺寸。7.如权利要求5或6所述的可逆循环相变流体，其中所述凝胶包括通过配位键合附接至所述纳米粒子的聚合物。8.如权利要求7所述的可逆循环相变流体，其中所述工作流体包含水，并且所述聚合物包含刺激响应性聚合物水凝胶，所述刺激响应性聚合物水凝胶通过包括所述相变驱动因素的刺激在所述第一和第二相之间是可切换的。9.如权利要求7或8所述的可逆循环相变流体，其中所述聚合物具有与所述金属纳米粒子形成所述配位键的氨基末端。10.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中所述聚合物包含具有小于6000g/mol的重均分子量的pNIPAM。11.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中所述相变驱动因素包括所述凝胶包含热响应性聚合物。12.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中所述相变通过在基本上所述工作流体的吸收最大值的波长的光是可触发的。13.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中当所述凝胶处于所述第二相时，所述第二中值纳米粒子数在范围2至200内，并且其中当所述凝胶处于所述第一相时，所述第一中值纳米粒子数基本上是1。14.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，所述可逆循环相变流体还包含分子拴带或包封，使得当所述凝胶处于所述第一相时所述包覆的纳米粒子被约束在一起。15.如任一在前权利要求所述的可逆循环相变流体，其中所述凝胶包括聚合物，并且其中所述聚合物的重均分子量Mw与所述聚合物的缠结分子量Me的比率Z小于5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米·J·鲍姆贝格，丁涛，文茨拉夫·科列夫·瓦列夫，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB