特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
研究背景
材料的宏觀性能從根本上取決于其基本組成單元之間的相互作用。例如，在具有相似相互作用的分子混合物中，混合熵占主導(dǎo)地位并導(dǎo)致混合良好的溶液，而明顯的分子間相互作用導(dǎo)致焓損失并導(dǎo)致相分離。膠體溶液是在原子尺度上研究相變和自組裝的優(yōu)秀模型系統(tǒng)，其中膠體粒子被視為巨大的人造原子。通過改變熱力學(xué)變量（例如溫度和/或溶劑相互作用）證明了膠體混合物中相分離的經(jīng)典路徑。另一方面，活性物質(zhì)為實(shí)現(xiàn)超出熱力學(xué)平衡的復(fù)雜相行為提供了一種新方法。
關(guān)鍵問題
1、膠體-膠體相互作用通常導(dǎo)致可忽略的分離焓在不混溶的混合物中普遍觀察到相分離，其中混合熵被分離焓克服。然而，在單分散膠體系統(tǒng)中，膠體-膠體相互作用通常是非特異性和短程的，這導(dǎo)致可忽略的分離焓。最近開發(fā)的光活性膠體顆粒顯示出長程泳動相互作用，可以很容易地用入射光進(jìn)行調(diào)整，這為研究相行為和結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)提供了一個理想的模型。
新思路
有鑒于此，香港大學(xué)唐晉堯教授團(tuán)隊開發(fā)了一個簡單的光譜選擇性活性膠體系統(tǒng)，其中TiO2膠體物種用光譜獨(dú)特的染料編碼以形成光致變色膠體群。在該系統(tǒng)中，可以通過將入射光與各種波長和強(qiáng)度相結(jié)合來對粒子-粒子相互作用進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)可控的膠體凝膠化和分離。此外，通過混合青色、品紅色和黃色膠體，配制了動態(tài)光致變色膠體群。在彩色光的照射下，膠體群由于分層相分離而適應(yīng)入射光的外觀，為彩色電子紙和自供電光學(xué)偽裝提供了一種簡便的方法。
1、研究了光譜敏感膠體系統(tǒng)中的粒子相互作用可調(diào)性作者采用簡單的染料敏化膠體，基于微型游泳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相分離過程中可調(diào)電位的膠體，通過調(diào)整粒子與光的相互作用來控制相分離過程。作者制備了LEG4與SQ2比例為1：1的充分混合的膠體溶液，研究了膠體混合物的相動力學(xué)，并使用布朗動力學(xué)模擬來證實(shí)實(shí)驗(yàn)并測試非平衡性質(zhì)在觀察到的分離中起著重要作用。作者探索了活性混合物的變色能力，表明混合物的分層過程，基于此，作者展示了配制的活性光致變色油墨，演示了大學(xué)徽標(biāo)的投射。1、提出了一種簡單的光譜選擇性活性膠體系統(tǒng)該系統(tǒng)由懸浮在氧化還原梭溶液中的光敏TiO2膠體顆粒組成，在光激發(fā)下，TiO2顆粒上氧化還原反應(yīng)會產(chǎn)生化學(xué)梯度，從而調(diào)節(jié)有效的顆粒-顆粒相互作用。通過將負(fù)載有不同吸收光譜染料的幾種完全相同的TiO2膠體粒子混合，調(diào)節(jié)入射光譜，可實(shí)現(xiàn)按需膠體相分離。3、實(shí)現(xiàn)了與頭足類皮膚中色素細(xì)胞相似的光致變色在宏觀尺度上，光活性膠體混合物隨著不同顏色富集層的暴露而發(fā)生光致變色。這種新的變色膠體群依賴于現(xiàn)有色素的重新排列，而不是新生色團(tuán)的原位產(chǎn)生，這與頭足類皮膚中色素細(xì)胞(生色團(tuán))的作用相似。光譜敏感膠體系統(tǒng)中的粒子相互作用可調(diào)性為了研究相分離過程，有必要使用具有可調(diào)電位的膠體。作者采用簡單的染料敏化膠體，基于微型游泳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種相互作用的可調(diào)性。在染料的光激發(fā)下，氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致擴(kuò)散泳流和有效的吸引潛力。通過選擇性地調(diào)整二元膠體混合物中的粒子間電位來分兩步監(jiān)測分離過程。數(shù)值模擬用于可視化泳動流場以及主動-主動和主動-被動粒子對之間的相互作用。在該系統(tǒng)中，使用了用光譜獨(dú)特染料敏化的TiO2膠體，不僅可以輕松地在主動和被動之間進(jìn)行身份切換，而且還可以通過控制相對活性和光照強(qiáng)度來訪問所有中間狀態(tài)。這種獨(dú)特的特性實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)整粒子與光的相互作用來控制相分離過程。
圖 光照調(diào)制的染料敏化膠體的光譜選擇性有效電位為了研究膠體混合物的相動力學(xué)，制備了LEG4與SQ2比例為1：1的充分混合的膠體溶液，并將其限制在具有中等面積分?jǐn)?shù)的矩形毛細(xì)管中，對其進(jìn)行均勻照明選擇性地激活一種膠體物質(zhì)。在全光照條件下，觀察到的相組成接近于亞穩(wěn)旋節(jié)線曲線，這與二元混合物的熱力學(xué)一致。為了促進(jìn)對觀察到的分離動力學(xué)的理解，使用布朗動力學(xué)模擬來證實(shí)實(shí)驗(yàn)并測試非平衡性質(zhì)是否在觀察到的分離中起著重要作用。布朗動力學(xué)模擬成功地抓住了觀察到的相分離的本質(zhì)，證實(shí)了染料敏化膠體系統(tǒng)可以被視為準(zhǔn)平衡系統(tǒng)，可以用作模型系統(tǒng)用于混合物相變的熱力學(xué)和動力學(xué)研究。
圖 光致二元混合物相分離的實(shí)驗(yàn)和布朗動力學(xué)模擬
頭足類動物的皮膚表現(xiàn)出無與倫比的偽裝能力，其中色素細(xì)胞可以感知環(huán)境的光照條件，并根據(jù)色素細(xì)胞的作用相應(yīng)地改變其外觀。三元染料敏化膠體混合物可以響應(yīng)光譜以誘導(dǎo)選擇性分離，作者進(jìn)一步探索了這種活性混合物的變色能力。結(jié)果表明，在紅光照射下，SQ2敏化的TiO2處于活性狀態(tài)，誘導(dǎo)底部聚集，而被動L0和LEG4敏化膠體由于與活性膠體的弱相互作用而被帶到頂部。同樣，在綠光或藍(lán)光照射下，混合物會經(jīng)歷類似的分層過程，其中活性粒子主要位于底部，被動粒子位于頂部。這種層狀分層可用于配制活性光致變色油墨，作者通過優(yōu)化顆粒尺寸以實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量和增強(qiáng)的響應(yīng)度。為了演示，作者在具有 20mW cm?2照明的優(yōu)化膠體群上投射大學(xué)徽標(biāo)，圖像可穩(wěn)定長達(dá) 30 分鐘。
展望
總之，作者展示了一種光譜選擇性活性膠體混合物系統(tǒng)，其中可以通過控制照明光譜和強(qiáng)度輕松調(diào)整粒子-粒子相互作用。在用相應(yīng)的光激發(fā)時，可以選擇性地激活特定的膠體成分。這種活性混合物會發(fā)生相分離，這可以用相穩(wěn)定性熱力學(xué)很好地預(yù)測。在此機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展示了一種新的光致變色膠體群，它通過誘導(dǎo)分層相分離來自適應(yīng)其外觀以適應(yīng)入射光。由于這種膠體群完全自我維持且制造簡單，它有望廣泛應(yīng)用于從光學(xué)偽裝、用于建筑熱管理的智能窗口到用于電子閱讀器的全彩色電子墨水，進(jìn)一步提高靈敏度和響應(yīng)時間。Zheng, J., Chen, J., Jin, Y. et al. Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation. Nature 617, 499–506 (2023).DOI: 10.1038/s41586-023-05873-4https://doi.org/10.1038/s41586-023-05873-4
