障眼法的未來:研究人員試圖模仿頭足類動物的變色能力
頭足類(頭部有觸手的動物,如章魚、槍烏賊)的皮膚在野外表現出非凡的偽裝能力。它們的皮膚由色素團組成,能夠檢測到環境光線的變化,並通過色素細胞改變其視覺效果。色素顆粒在徑向肌肉的作用下折疊或展開。
這一非凡的自然現象激發了香港大學化學系唐勁堯博士及其研究團隊的靈感。他們與香港科技大學和廈門大學的科學家合作,開發了一種創新的波長選擇性智能膠體系統,促進了光控多維相分離。
該團隊通過混合青色、品紅色和黃色微珠形成動態光致變色納米糰簇,在宏觀尺度上實現了光致變色。這種宏觀光致變色依賴於光在活性微珠混合物中誘導的垂直相分層,導致入射光譜對應的彩色微珠富集。
與現有的變色材料不同,這種新的光致變色膠體群依賴於重新排列現有的色素,而不是在原位生成新的髮色團,因此更加可靠和可編程。他們的研究成果為電子墨水、顯示器和主動光學偽裝等應用提供了一種簡單的方法,是活性物質領域的一項重大突破。該研究成果最近發表在著名學術期刊《自然》(Nature)上。
三維相分離和光致變色膠體群。a, 光譜敏感的分層分離在三元膠體體系中的示意圖,不同的光照光譜導致了明顯的垂直分層。SQ2、LEG4和L0敏化TiO2膠體分別以青色、品紅色和黃色表示。比例尺:50 mm: c, 使用改進的投影儀投射設計的彩色圖像。d, 曝光2分鐘後,光致變色油墨表面出現六個色塊。插圖:投影圖案。e, 曝光2分鐘後,光致變色油墨表面出現校徽。f, 曝光2分鐘後,不同顏色的光致變色油墨依次形成圖案。插圖:原始投影圖案。比例尺:2 mm。來源:香港大學
自驅動活性顆粒是模仿微生物在液體中定向游動的微/納米顆粒。最近,它們在納米科學和非平衡物理學領域引起了極大的關注,並正在開發潛在的生物醫學應用。活性顆粒的主要研究目標之一是開發基於這些顆粒的醫用微型/納米機器人,用於藥物輸送和無創外科手術。然而,活性顆粒的結構非常簡單,其驅動機制和環境感知受到很大限制。
特別是單個微/納米活性顆粒的尺寸和相對簡單的結構限制了在其體內實現功能的複雜性。如何在結構簡單的情況下製造出具有智能特性的活性顆粒,是未來實現應用的挑戰和關鍵。
光驅動的微泳器是一種自驅動活性顆粒,最近被開髮用於製造可控納米機器人,由於微泳器的活動、排列方向和顆粒間的相互作用可以很容易地通過入射光來調控,這為生物醫學應用和功能性新材料提供了潛力。另一方面,光不僅能誘導微遊子的光敏運動,還能改變粒子間的有效相互作用。例如,光催化反應可以改變局部化學梯度場,進而通過擴散游泳效應影響相鄰粒子的運動軌跡,產生長程吸引或排斥。
在這項工作中,Tang團隊在之前光動力微泳研究的基礎上,設計了一種簡單的波長選擇性TiO2活性微珠系統。在光激發時,TiO2顆粒上的氧化還原反應會產生化學梯度,從而調節有效的顆粒-顆粒相互作用。
也就是說,粒子與粒子之間的相互作用可以通過不同波長和強度的入射光來控制。通過選擇具有不同光譜特性的染料敏化代碼,可以形成具有不同光敏活性的TiO2微珠。將幾種具有不同吸收光譜的相同TiO2微珠負載染料混合,並調整入射光光譜,可實現顆粒的按需分離。
實現顆粒相分離的目的是在微觀和宏觀層面上控制顆粒在液體中的聚集和分散。通過混合不同光敏性的微珠,有效地得到了一種新型光致發光油墨,可應用於電子紙。其原理類似於頭足類動物皮膚中的色素團,它們能夠感知環境的光照條件,並通過相應的作用改變周圍色素細胞的外觀。
該研究成果極大地促進了我們對人工活性材料中蜂群智能的認識,並為設計創新的活性智能材料鋪平了道路。有了這一突破,我們有望開發出可編程光致變色墨水,可用於電子墨水、顯示墨水甚至主動光學偽裝墨水等多種應用領域。