物理化学学家合作研发光致变色活性胶体

由彩色微珠组成的新型油墨，通过光驱动分离适应接收光线的外观。

【资料图】

(原新闻稿已于5月18日发布)

在自然界中，头足类动物（即触手附在头部的动物）的皮肤有伪装能力，可以改变自己的外观以适应周围环境。牠们皮肤中的色素颗粒可以随着肌肉的控制而折迭或展开，进而改变颜色。近日，由香港大学（港大）化学系唐晋尧博士率领的研究团队受这自然现象的启发，开发了一种新型的活性胶体材料，实现了胶体的可控「相分离」。研究团队通过混合青色、洋红色和黄色胶体，形成动态的纳米团，并通过控制光线的入射波长和强度来控制胶体的运动和相互作用，从而产生不同的颜色。这种新的技术比传统的变色材料更加可靠和便利，为调节彩色电子纸（模仿纸上印刷、书写的视觉观感的显示器技术）及开发光学隐身材料等应用提供了重大的突破，其研究成果已于学术期刊《自然（Nature）》上发表。

如变色龙般的智能胶体

在彩色电子纸的应用中，粒子的大小和形状会影响其色彩，因此可以用来显示不同的图像和文字。近日，我们的化学系研究团队与香港科技大学以及厦门大学研究团队合作研发了一种「新型光谱选择性智能胶体体系」—— 一种可以通过光控制的智能胶体。在光的控制下，这些胶体粒子可以根据大小、形状和极性等特性，从胶体中分离出来，形成多种不同的「相」。相是物质在不同状态或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——简单而言，就是可以运用电子活性材料呈现出变化多端的图案与色彩。

灵感源自医学纳米机器人

近年科学界对光驱微纳米机器人的研究为研发活性材料提供了良好的环境。我们可先从自驱动活性粒子说起。自驱动活性粒子是一种微纳粒子，是胶体系统中的一种重要组成部分，能模拟微生物在液体内实现定向游动。现时研究人员以自驱动活性粒子为核心开发医学微纳机器人，希望将粒子设计成可以在人体内定向游走，从而实现各种医学目的。然而，由于自驱动活性粒子的结构非常简单，在驱动机制和对周围环境的感知方面也受到显著的限制。尤其是对于单独的微纳活性粒子而言，其尺寸和相对简单的结构都限制了其实现更复杂功能的可能性。如何在简单的结构基础上赋予活性粒子智能特点，是实现未来应用的难点和关键。

为此，我们的团队在早期开发了具有智能可控性的光驱微纳米机器人，实现了群体智能，并基于此研发出这种新型活性胶体。光驱微纳米机器人的速度与运动方向能通过调整入射光的光强、波长、偏振、方向等，能轻易地调节运动速度和方向。另一方面，光不仅可以刺激活性粒子从而调节速度和运动方向，也能改变粒子间的相互作用，例如光催化反应可改变局域化学梯度场（Gradient field），从而引起微小粒子之间的相互作用。进而，通过扩散泳效应（即在这些化学梯度场下，粒子会因为趋向浓度高的区域而运动），同时也会影响周围其他粒子的运动轨迹，从而表现出长程的吸引或排斥作用，导致活性粒子在不同的梯度场中表现出不同的运动行为。

在此研究中，唐博士的团队设计了一种简单的具光谱选择性的TiO2活性胶体体系。他们使用染料敏化编码的方法，为TiO2活性粒子表面设计了具有不同光感应的活性胶体，这些粒子可以通过调节入射光的波长和强度来控制其运动和相互作用，从而实现微观和宏观上的可控「胶体相分离」。

达至胶体相分离的目的是控制微观和宏观级别上的液体中的粒子聚集和分散。团队通过设计具有不同光感应的活性胶体，可以控制电子纸中微小粒子的聚散，从而实现电子纸的显示和清除效果，原理有如头足类动物皮肤里的色素团可以感知环境的光线状况，并随着色素细胞的相应作用改变周遭色素细胞的外观。

这次的研究成果促进了人类对人造活性材料的「群体智能」的理解，即活性材料透过协作和交互作用来产生更高层次的行为和功能。在这个研究中使用光驱微纳米机器人和TiO2活性胶体体系所研发的活性智能材料，可以调节粒子间的相互作用和运动行为，使其在不同的梯度场中表现出不同的行为，进而实现群体智能。

唐晋尧博士表示：「我们期望这种新型可编程光致变色油墨可以发展为电子墨水、显示墨水和主动光学伪装墨水。这项研究成果为活性智能材料的设计开辟了新的方向，有望提升电子纸技术。」

详情请参看研究论文：‘Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation’,Nature

连结：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05873-4

观看与此研究相关的影片：https://youtu.be/3Ylodxllwvo

相⽚下载及说明：https://www.scifac.hku.hk/press

如欲了解唐晋尧副教授及其研究团队更多详情，请浏览其研究团队网站：https://tanglab.hku.hk/

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