Фотохромные коллоиды для разработки умных материалов
В природе кожа головоногих моллюсков (животных с прикрепленными к голове щупальцами) обладает беспрецедентной маскировочной способностью. Их кожа содержит пигментные группы, которые могут ощущать изменения в условиях освещения окружающей среды, и они корректируют свой внешний вид за счет действия пигментных клеток. Несмотря на сложную природу, эта способность изменять цвет в основном основана на механическом механизме, в котором частицы пигмента сворачиваются или разворачиваются под контролем радиальных мышц. Вдохновленная этим естественным процессом, исследовательская группа под руководством доктора Цзиньяо Тан из химического факультета Университета Гонконга (HKU) разработала новую интеллектуальную коллоидную систему, селективную по длине волны, для достижения управляемого светом многомерного разделения фаз в сотрудничество с учеными из Гонконгского университета науки и технологий и Сямэньского университета.
Команда формирует динамические фотохромные нанокластеры, смешивая голубые, пурпурные и желтые микрогранулы, достигая фотохромизма в макромасштабе. Этот макроскопический фотохромизм основан на индуцированном светом вертикальном фазовом расслоении в активной смеси микробусин, что приводит к обогащению цветных микрогранул, соответствующих падающему спектру. В отличие от существующих материалов, меняющих цвет, этот новый фотохромный коллоидный рой основан на перестройке существующих пигментов, а не на создании новых хромофоров на месте, и, следовательно, является более надежным и программируемым. Выводы группы обеспечивают простой метод для таких приложений, как электронные чернила, дисплеи и активный оптический камуфляж, что представляет собой крупный прорыв в области активного вещества. Результаты их исследования недавно были опубликованы в журнале Nature.
Самоактивирующиеся активные частицы представляют собой микро/наночастицы, которые имитируют направленное плавание микроорганизмов в жидкости. В последнее время они привлекли значительное внимание в нанонауке и физике неравновесных состояний и разрабатываются для потенциальных биомедицинских приложений. Одной из основных задач исследования активных частиц является разработка медицинских микро/нанороботов на основе этих частиц для доставки лекарств и неинвазивной хирургии. Однако структура активных частиц очень проста, а механизм их движения и восприятие окружающей среды существенно ограничены. В частности, размер и относительно простая структура отдельных микро/наноактивных частиц ограничивают сложность реализации функций на их теле. Задача и ключ к реализации будущего приложения заключается в том, как создать активные частицы с интеллектуальными характеристиками, несмотря на их простую структуру.
Световые микропловцы, тип самоактивирующихся активных частиц, были недавно разработаны с целью создания управляемого наноробота, который предлагает потенциал для биомедицинских приложений и функциональных новых материалов, поскольку активность пловца, направление выравнивания и взаимодействие между частицами могут легко модулировать падающим светом. С другой стороны, свет не только вызывает светочувствительное движение у микропловцов, но и изменяет эффективное взаимодействие между частицами. Например, фотокаталитические реакции могут изменять локальное химическое градиентное поле, которое, в свою очередь, влияет на траекторию движения соседних частиц через эффект диффузионного плавания, что приводит к дальнему притяжению или отталкиванию.
В этой работе команда Танга разработала простую систему активных микрошариков TiO2, селективную по длине волны, на основе своих предыдущих исследований микроплавателей с питанием от света. При фотовозбуждении окислительно-восстановительная реакция на частицах TiO2 создает химический градиент, который настраивает эффективное взаимодействие между частицами. То есть взаимодействием между частицами можно управлять, комбинируя падающий свет разной длины волны и интенсивности. Микрогранулы TiO2 с различной светочувствительной активностью могут быть сформированы путем выбора кодов сенсибилизации красителем с различными спектральными характеристиками. Путем смешивания нескольких в остальном идентичных видов микрогранул TiO2, наполненных красителями с разными спектрами поглощения, и регулирования спектров падающего света реализуется сегрегация частиц по требованию.
Целью реализации фазовой сегрегации частиц является контроль агрегации и дисперсии частиц в жидкости как на микро-, так и на макроуровне. По сути, это привело к созданию новых светочувствительных чернил путем смешивания микрошариков с различной светочувствительностью, которые можно было бы применять к электронной бумаге. Принцип подобен скоплениям пигмента в коже головоногих моллюсков, которые могут ощущать световое состояние окружающей среды и изменять внешний вид окружающих пигментных клеток посредством соответствующих действий. «Результаты исследований внесли значительный вклад в расширение наших знаний о роевом интеллекте в искусственных активных материалах и проложили путь к разработке инновационных активных интеллектуальных материалов. Благодаря этому прорыву мы ожидаем разработку программируемых фотохромных чернил, которые можно будет использовать в различных приложениях, таких как как электронные чернила, дисплейные чернила и даже активные оптические камуфляжные чернила», — сказал д-р Цзиньяо Тан.
