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5月17日,厦门大学化学化工学院侯旭团队郑靖副教授与合作者的科研成果,以“Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation”为题在线发表于Nature,成果显示,研究团队开发了一种像“变色龙”般的新型活性胶体材料,通过控制光,可以使它呈现变化多端的图案与色彩,这项新技术比传统的变色材料更加可靠和便利,为活性智能材料的设计开辟了新的方向!

厦门大学化学化工学院郑靖副教授为论文第一作者,香港大学唐晋尧教授为论文通讯作者。侯旭教授对本研究给予大力支持并参与论文讨论修改,香港科技大学李志刚教授、童彭尔教授和香港大学王宇锋教授参与文章讨论,陈靖远博士、靳亚康博士、温言博士、牧一江博士、吴昌进博士参与了该论文的部分工作。

在自然界中,章鱼、墨鱼、鱿鱼等头足类动物具有强大的变色伪装能力——它们可以通过控制肌肉,将皮肤表面下成千上万的色素颗粒进行重新排布,从而根据周围环境的变化快速调节肤色,达到伪装掩饰的目的。

受到这种自然现象的启发,厦门大学化学化工学院侯旭团队郑靖副教授和香港大学唐晋尧教授合作开发了一种新型的光致变色活性胶体材料,实现了对多组分非平衡态体系的多自由度控制和可编程的光响应相分离,为彩色电子纸和自供电光学伪装提供了一种简便的方法。

如变色龙般的智能胶体

在彩色电子纸的应用中,带电颜色粒子可以根据施加电压的情况实现不同聚散和分布情况,因而可以用来显示不同的图像和文字。基于此,研究团队开发了一种新型活性胶体材料,通过控制光控制胶体粒子的不同聚散形态,形成多种不同的“相”,并达致宏观变色的效果。“相”是物质在不同状态、不同结构下的不同形态或表现形式。这种胶体可受光的影响,通过控制这些“相”之间的比例和位置,制造出更复杂的微米级结构。

简而言之,就是可以运用光学活性材料呈现出变化多端的图案与色彩。

活性智能材料的新突破

近年来,光驱微纳米机器人技术的快速发展为研发活性材料提供了良好的环境。人们可以通过改变入射光的光强、波长、偏振等因素而精准调节粒子的速度与运动方向,并透过改变局域化学梯度场改变粒子间的有效相互作用。这为实现活性粒子的智能化,进而实现群体智能提供了重要的契机。

基于此,研究团队设计了一种波长选择性TiO2活性胶体系统,其中活性胶体粒子用光谱特征染料编码,形成光致变色胶体群。粒子-粒子的相互作用可以通过结合不同波长和强度的入射光来灵活调节,从而实现可控的胶体聚集和分离,为研究微纳粒子的相行为和结构演化动力学提供了理想的模型。

受自然界中光致变色现象启发,研究团队进一步通过混合青色、品红和黄色胶体形成动态光致变色墨水,并在宏观上实现了光致变色。

这项新技术比传统的变色材料更加可靠和便利,为彩色电子纸和自供电光学伪装等应用提供了一种更加简便的方法,有助于促进人类对人造活性材料的“群体智能”的理解,并为活性智能材料的设计开辟新方向。

只有积小步才能成大步

和大多数重大创新成果的诞生过程一样,本次成果的取得也不是一日之功:

论文第一作者郑靖2018年还在香港大学从事博士后研究之时,就在导师唐晋尧教授的指导和支持下开展相关的研究工作,直至2022年2月正式加盟厦大化院侯旭团队,依然在进行补充实验以及论文修改。

从想法的提出到论文的刊发,五年的时间里,研究团队投入了大量的时间和精力在“观察”和“试错”上。粒子运动观测和图像拍摄需要借助显微镜完成,团队必须高度专注地观察不同的实验条件下图像细微的变化。“最难的是发现现象,发现微小现象后,要及时确认实验结果和优化。错过任何一个细节,结果都可能谬之千里。”郑靖说。

从各色的染料到各类的光谱,光强多少?波长多少?光路如何设计搭建……团队需要在一次次的定量微量调节中,认真观测哪种组合有效果,并进行仔细筛分,之后通过表界面改性,调整粒子的光谱吸收,调整粒子对不同的光的响应。为了得到理想的实验参数和结果,团队日以继夜奋战在实验室,甚至2022年大年初一的时候,团队还在讨论和修改论文。守得云开见月明,在反复的观测和试验中,显微镜下的图像变得越来越清晰。

“对每个科研人来说,做研究没有捷径,只有积小步才能成大步,奋斗这条路上没有终点。”郑靖说。

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