自組裝 (self-organization)是大量基本單元 (elementary units) 在大于其尺度上形成的一種自發的結構協調行為，許多能夠進行能源轉換的自然或人工體系都依賴這一過程形成復雜結構以及實現復雜功能。受到生物系統的啟發，控制人工非平衡態系統自組裝形成可重構化、自適應的人工材料近年來引起了廣泛的關注。在膠體科學中，可以進行的能量轉換然后進行耗散行自組裝的膠體系統具有模擬生物自組裝、運輸、可逆收集被動膠體貨物以及實施微觀機械設備的能力。由于膠體易于合成且其大小可與可見光波長相似，因此膠體成為合成光子材料和光學器件的理想構建模塊，其光學性能尤其固定的拓撲結構和空間相關性決定。向這些靜態的光學組件添加光學增益可以觸發激光。詳細地，激光染料 (增益介質) 中的膠體可以對其中的光產生散射和放大，當用恒定光斑大小和強度的高能激光器進行光泵浦，且局部膠體密度達到閾值 (即光離開介質前的平均光程長度足以產生凈放大) 之上時，就會產生激光。在無序自組裝系統中，固態光學玻璃、TiO2膠體體系、半導體粉末中都觀察到了隨機激光，由于隨機激光的靈活性和形狀不敏感性，其在傳感甚至活體組織結合中都有廣闊的應用前景。能夠主動控制光通量的可重構光子架構被認為是下一代光子器件。但是目前基于膠體聚集體的隨機激光器件性能由其最終構型決定，較為靜態與固定，不利于其進一步應用。近日，倫敦大學Giorgio Volpe，帝國理工Riccardo Sapienza等人，通過膠體體系中的個別單元對光的吸收后展現出的動力學行為 (如響應性，重構性，協調性) 實現膠體的耗散自組裝，當膠體團簇達到閾值尺寸時出現激光，通過控制膠體集群動力學實現可編程隨機激光器。成果發表在Nature Physics上。光致熱梯度 (對流、熱泳、熱滲流、熱電、耗盡效應) 在光流體和膠體操控中有著廣泛的應用。本文通過632.8 nm的連續波HeNe激光照射碳半包覆的Janus (RS= 4.22 ± 0.14 μm) ，其產生的局部溫度梯度可使原本自由擴散的聚乙烯亞胺功能化的TiO2粒子 (RTiO2 = 0.915 ± 0.03 μm) 在羅丹明染料的乙醇溶液中進行自組裝，形成膠體粒子集群；當撤去外部光源時，TiO2粒子重新恢復自由擴散狀態；這種基于耗散的自組裝可以可逆的反復進行。當膠體粒子高密度集群形成時會出現激光現象。通過測量瞬時發射光譜，發現激光閾值條件為發射光譜的線寬縮小到13.5 nm。光譜顯示可以通過控制光泵浦區域內膠體集群的大小和密度來對隨機激光進行編程。在自由擴散狀態下的膠體粒子密度 (2 × 1015個/m?3) 太小而不足以產生激光；在高密度狀態 (12 × 1015個/m?3) 下，在560 nm處展現出線寬約為5 nm 的窄峰。隨后的功率相關性實驗顯示膠體集群產生激光的最低功率為70 mJ/cm2。膠體集群產生的激光具有以下兩個特點：(1) 發射強度有明顯的超線性增加；(2) 譜線寬度有明顯的減小。光熱梯度被認為是膠體集群形成的直接原因，0.14 mW/μm2 的HeNe激光會產生57±1.6℃的溫差并在Janus粒子周圍形成徑向熱梯度，進而產生熱致漂移，這里用熱漂移系數表征膠體的熱遷移能力，熱漂移系數集成了熱滲流、熱泳等復雜因素；熱遷移速度被定義為：距離Janus越近的位置熱梯度越大，相對應的遷移速度也會更強，這可以更好抵消掉膠體的擴散作用及其之間短程的排斥相互作用一展現出更好的方向性。當熱源關閉時，擴散和膠體粒子之間的短程排斥相互作用驅動膠體區域平衡分布，而當熱源重新打開時，由于熱源周圍的膠體密度更高，膠體重新積累的速度比第一次積累快得多。這也就意味著可以通過改變光熱梯度來改變集群形態。只有當膠體集群具有足夠小的散射平均自由程和足夠大的集群面積時才可以觸發激光。隨著膠體密度的增加，激光出現的臨界半徑 (Rcr) 單調減小，從而有利于激光線寬的減小。圖|基于耗散動力學可逆膠體集群形成及其可控隨機激光膠體粒子可控自組裝的非平衡動力學賦予了基于膠體集群的激光器時空可重構的可能性。本文將Janus粒子分散在不同位置，并按照一定時間順序對其進行光控加熱，當粒子間間距小于一個泵點大小時，可通過不同粒子的光熱梯度實現“信息交換”，實現了隨機激光在空間和時間上的載荷位移。與生物界的集群現象相似，多個體間的交互總能帶來意想不到的 “涌現”(merge) 現象。當膠體體系中存在多個熱源 (Janus粒子) 時，如果一個Janus粒子產生的熱梯度無法使TiO2集群達到激光臨界半徑，其周圍的Janus粒子就會發生主動發生遷移，主動運動到其周圍并參與熱梯度的形成從而擴大熱梯度進而引起更大范圍的膠體集群使其剛好超過激光臨界半徑。除了細化激光光譜儀之外，多Janus粒子另一個意外特性是可以形成具有不同幾何形狀的膠體集群從而賦予膠體集群不同的光譜特性，其幾何形狀由Janus粒子數量決定。1.首次通過實驗演示了基于膠體的耗散動力學自組裝的膠體集群的可重構隨機激光器，動態地實現了形態和光學功能的耦合。2.可自組織的膠體的隨機激光器可以根據需要產生可控、可編程的激光。該激光器尺寸較小 (幾十微米)。3.結果可以推廣到其他吸光材料 (例如金基、碳基材料等)，并對活性膠體集群的設計提供了指導思路。可響應、可重構、相互協調是實現“有生命”激光器的第一步，這里展示的激光器還是準二維的，其配置速度還是較慢，不過可以想象的是，如果將這種可重構膠體集群拓展到三維，那將具有更快的響應速度，同時如果將熱梯度場改換成其他刺激 (如光、電、磁等)，這種激光器有望在新型光源、無散斑照明、非常規計算、傳感等領域展現出非凡的潛力。Trivedi M, Saxena D, Ng W K, et al. Self-organized lasers from reconfigurable colloidal assemblies[J]. Nature Physics, 2022: 1-6.DOI: 10.1038/s41567-022-01656-2https://www.nature.com/articles/s41567-022-01656-2
