西北大学的研究团队开发出一种全新的水基液态材料，既具备类似电池的充电与储能能力，又能像生物体结构那样发生形变，并且在开放空气中可以自动“重置”。过去，能量的采集、储存和使用往往依赖不同的材料或独立设备，而这一新平台首次将三种功能整合进单一材料之中，为无需塑料或金属的自适应、清洁、可再生系统提供了新的可能。

这项研究发表在《Chem》期刊上，是首次报道通过物理结构重构自身来实现能量储存的材料体系。

从细胞骨架获得灵感

研究人员的设计灵感来自细胞骨架——细胞内部的动态支撑网络，它让细胞能够维持形状、运动和分裂。与动物那种刚性的骨骼不同，细胞骨架处于持续的搭建、拆解和重建之中。

西北大学的新材料展现出类似的动态行为：在储存和释放能量的过程中，它可以反复自组装和解体。不过，这种材料并不依赖生物燃料，而是由从阳光、电能、X 射线等多种能源中获取的电子来驱动。

当材料吸收能量后，原本呈黄色的液体会转变为黑色凝胶，并能将能量保存数月之久。用户随后可以像从电池中取电一样，利用其中储存的能量来驱动化学反应。要重置这一过程，只需让材料接触空气中的氧气，黑色凝胶就会重新溶解为液态，恢复为初始状态，并可再次充电循环使用。

资深作者 Samuel I. Stupp 表示：“生命系统极其动态，它们不断构建结构、拆解再重建。我们希望创造一种合成材料，既能表现出类似的动态行为，又能执行实用功能。我们的材料可以按需储存和释放能量，这可能在能量储存、环境修复以及下一代软电子设备中发挥作用。”

一个材料整合三大功能

几十年来，科学界已经开发出许多可以从光、电或其他来源吸收能量的材料。但在大多数情况下，被捕获的能量要么必须立即使用，要么需要转移到如电池之类的独立装置中进行储存。因此，能量采集、储存和利用通常分散在不同的材料和设备之间。

为了在一个系统中整合这三种功能，Stupp 团队选择了超分子材料这一方向——这类分子可以自发组装成更大的结构。他们设计了一种名为 ANI-MV 的定制分子，由两个关键部分构成：

• 氨基萘芳香单元（ANI），负责响应光照并吸收能量；
• 甲基二吡啶（MV），负责储存电子。

当 ANI 部分吸收能量后，会将电子转移给 MV 部分。随着 MV 单元逐渐富含电子，相邻分子之间的相互吸引显著增强，形成被称为 pimers 的分子对结构。这些 pimers 进一步有序排列，构筑出具有离域电子的半导体纳米带——电子可以在其中自由移动，而不是局限在某个固定位置。

随着纳米带彼此缠结，它们形成一种黑色凝胶，将电子储存在其分子网络之中。这些纳米带是首个由储能分子对自组装而成的超分子聚合物 pimer 的实例。

在黑暗中实现“暗光催化”

在实验中，Stupp 团队证明，带电的黑色凝胶可以将储存的能量转移给氧气，生成高度活泼的分子物种，从而在完全无光的条件下驱动化学反应。

该材料还展现出很高的多功能性。无论是通过化学燃料、光照、电流还是 X 射线激发，材料都能从黄色液体转变为富含能量、具有导电性的黑色凝胶。而当其暴露在开放空气中时，这一过程会逆转，材料重新变为悬浮在黄色液体中的微小非导电分子簇。

由于光可以选择性地触发这种相变，研究人员可以利用该材料在微观尺度上“写入”导电图案；当材料在空气中重置时，这些图案又会随之消失。

Stupp 指出：“大多数光驱动材料在光源消失后就不再工作，而我们的材料实现了一种‘暗光催化’。”

清洁能源与软电子的潜在平台

由于这种材料能够反复完成能量采集、储存和释放的循环，研究团队设想其潜在应用包括清洁能源技术、环境修复、自适应软电子设备以及可编程材料等。Stupp 估算，仅一克这种材料就可以储存足够的能量，为智能手表或其他可穿戴设备充电。

他表示：“世界上产生了大量太阳能，但如何高效储存并在需要时使用仍是难题。在能量储存方面，我们的材料相当于一块电池，但它完全在水中工作，不需要金属或塑料，而且可以多次充电循环。这种清洁而灵活的平台，可能为可再生能源技术开辟新的路径。”