资讯｜他，十年磨一剑，重磅成果登上Nature！- 大数跨境

首页

资讯｜他，十年磨一剑，重磅成果登上Nature！

两江科技评论

2023-06-30

导读：关注

原创丨彤心未泯（学研汇技术中心）

编辑丨风云

研究背景

材料的宏观性能从根本上取决于其基本组成单元之间的相互作用。例如，在具有相似相互作用的分子混合物中，混合熵占主导地位并导致混合良好的溶液，而明显的分子间相互作用导致焓损失并导致相分离。胶体溶液是在原子尺度上研究相变和自组装的优秀模型系统，其中胶体粒子被视为巨大的人造原子。通过改变热力学变量（例如温度和/或溶剂相互作用）证明了胶体混合物中相分离的经典路径。另一方面，活性物质为实现超出热力学平衡的复杂相行为提供了一种新方法。

关键问题

然而，胶体相分离的研究仍以下问题：

1、胶体-胶体相互作用通常导致可忽略的分离焓

在不混溶的混合物中普遍观察到相分离，其中混合熵被分离焓克服。然而，在单分散胶体系统中，胶体-胶体相互作用通常是非特异性和短程的，这导致可忽略的分离焓。

2、光活性胶体颗粒为相行为研究提供了理想模型

最近开发的光活性胶体颗粒显示出长程泳动相互作用，可以很容易地用入射光进行调整，这为研究相行为和结构演化动力学提供了一个理想的模型。

新思路

有鉴于此，香港大学唐晋尧教授团队开发了一个简单的光谱选择性活性胶体系统，其中TiO₂胶体物种用光谱独特的染料编码以形成光致变色胶体群。在该系统中，可以通过将入射光与各种波长和强度相结合来对粒子-粒子相互作用进行编程，以实现可控的胶体凝胶化和分离。此外，通过混合青色、品红色和黄色胶体，配制了动态光致变色胶体群。在彩色光的照射下，胶体群由于分层相分离而适应入射光的外观，为彩色电子纸和自供电光学伪装提供了一种简便的方法。

技术方案：

1、研究了光谱敏感胶体系统中的粒子相互作用可调性

作者采用简单的染料敏化胶体，基于微型游泳系统实现相分离过程中可调电位的胶体，通过调整粒子与光的相互作用来控制相分离过程。

2、探究了光谱选择性光致相分离动力学

作者制备了LEG4与SQ2比例为1：1的充分混合的胶体溶液，研究了胶体混合物的相动力学，并使用布朗动力学模拟来证实实验并测试非平衡性质在观察到的分离中起着重要作用。

3、演示了三维相分离和光致变色胶体群

作者探索了活性混合物的变色能力，表明混合物的分层过程，基于此，作者展示了配制的活性光致变色油墨，演示了大学徽标的投射。

技术优势：

1、提出了一种简单的光谱选择性活性胶体系统

该系统由悬浮在氧化还原梭溶液中的光敏TiO₂胶体颗粒组成，在光激发下，TiO₂颗粒上氧化还原反应会产生化学梯度，从而调节有效的颗粒-颗粒相互作用。

2、实现了按需胶体相分离

通过将负载有不同吸收光谱染料的几种完全相同的TiO₂胶体粒子混合，调节入射光谱，可实现按需胶体相分离。

3、实现了与头足类皮肤中色素细胞相似的光致变色

在宏观尺度上，光活性胶体混合物随着不同颜色富集层的暴露而发生光致变色。这种新的变色胶体群依赖于现有色素的重新排列，而不是新生色团的原位产生，这与头足类皮肤中色素细胞(生色团)的作用相似。

技术细节

光谱敏感胶体系统中的粒子相互作用可调性

为了研究相分离过程，有必要使用具有可调电位的胶体。作者采用简单的染料敏化胶体，基于微型游泳系统实现这种相互作用的可调性。在染料的光激发下，氧化还原反应导致扩散泳流和有效的吸引潜力。通过选择性地调整二元胶体混合物中的粒子间电位来分两步监测分离过程。数值模拟用于可视化泳动流场以及主动-主动和主动-被动粒子对之间的相互作用。在该系统中，使用了用光谱独特染料敏化的TiO₂胶体，不仅可以轻松地在主动和被动之间进行身份切换，而且还可以通过控制相对活性和光照强度来访问所有中间状态。这种独特的特性实现了通过调整粒子与光的相互作用来控制相分离过程。

图胶体混合物中的相分离示意图

图光照调制的染料敏化胶体的光谱选择性有效电位

光谱选择性光致相分离动力学

为了研究胶体混合物的相动力学，制备了LEG4与SQ2比例为1：1的充分混合的胶体溶液，并将其限制在具有中等面积分数的矩形毛细管中，对其进行均匀照明选择性地激活一种胶体物质。在全光照条件下，观察到的相组成接近于亚稳旋节线曲线，这与二元混合物的热力学一致。为了促进对观察到的分离动力学的理解，使用布朗动力学模拟来证实实验并测试非平衡性质是否在观察到的分离中起着重要作用。布朗动力学模拟成功地抓住了观察到的相分离的本质，证实了染料敏化胶体系统可以被视为准平衡系统，可以用作模型系统用于混合物相变的热力学和动力学研究。

图光致二元混合物相分离的实验和布朗动力学模拟

图光谱可调二元和三元混合物分离

三维相分离和光致变色胶体群

头足类动物的皮肤表现出无与伦比的伪装能力，其中色素细胞可以感知环境的光照条件，并根据色素细胞的作用相应地改变其外观。三元染料敏化胶体混合物可以响应光谱以诱导选择性分离，作者进一步探索了这种活性混合物的变色能力。结果表明，在红光照射下，SQ2敏化的TiO₂处于活性状态，诱导底部聚集，而被动L0和LEG4敏化胶体由于与活性胶体的弱相互作用而被带到顶部。同样，在绿光或蓝光照射下，混合物会经历类似的分层过程，其中活性粒子主要位于底部，被动粒子位于顶部。这种层状分层可用于配制活性光致变色油墨，作者通过优化颗粒尺寸以实现高图像质量和增强的响应度。为了演示，作者在具有 20mW cm⁻²照明的优化胶体群上投射大学徽标，图像可稳定长达 30 分钟。

图 3D相分离和光致变色胶体群

展望

总之，作者展示了一种光谱选择性活性胶体混合物系统，其中可以通过控制照明光谱和强度轻松调整粒子-粒子相互作用。在用相应的光激发时，可以选择性地激活特定的胶体成分。这种活性混合物会发生相分离，这可以用相稳定性热力学很好地预测。在此机制的基础上，进一步展示了一种新的光致变色胶体群，它通过诱导分层相分离来自适应其外观以适应入射光。由于这种胶体群完全自我维持且制造简单，它有望广泛应用于从光学伪装、用于建筑热管理的智能窗口到用于电子阅读器的全彩色电子墨水，进一步提高灵敏度和响应时间。

参考文献：

Zheng, J., Chen, J., Jin, Y. et al. Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation. Nature 617, 499–506 (2023).

DOI: 10.1038/s41586-023-05873-4

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05873-4