Фотохромизм от длины волны

Nature, том 617, страницы 499–506 (2023 г.) Процитировать эту статью

18 тысяч доступов

3 цитаты

129 Альтметрика

Подробности о метриках

Фазовая сегрегация повсеместно наблюдается в несмешивающихся смесях, таких как нефть и вода, в которых энтропия смешения преодолевается энтальпией сегрегации1,2,3. Однако в монодисперсных коллоидных системах коллоидно-коллоидные взаимодействия обычно неспецифичны и короткодействующие, что приводит к незначительной энтальпии сегрегации4. Недавно разработанные фотоактивные коллоидные частицы демонстрируют дальнодействующие форетические взаимодействия, которые можно легко настроить с помощью падающего света, что предлагает идеальную модель для изучения фазового поведения и кинетики эволюции структуры5,6. В этой работе мы создаем простую спектрально-селективную активную коллоидную систему, в которой коллоидные частицы TiO2 кодируются спектральными отличительными красителями для формирования фотохромного коллоидного роя. В этой системе взаимодействия между частицами можно программировать путем объединения падающего света с различными длинами волн и интенсивностью, чтобы обеспечить контролируемое коллоидное гелеобразование и сегрегацию. Кроме того, путем смешивания голубого, пурпурного и желтого коллоидов образуется динамический фотохромный коллоидный рой. При освещении цветным светом коллоидный рой адаптирует внешний вид падающего света за счет многослойной фазовой сегрегации, что представляет собой простой подход к цветной электронной бумаге и автономному оптическому камуфляжу.

Макроскопические свойства материалов принципиально определяются взаимодействиями между их основными составными единицами. Например, в смеси молекул со схожими взаимодействиями энтропия смешения доминирует и приводит к хорошо перемешанному раствору, тогда как четкое межмолекулярное взаимодействие приводит к штрафу за энтальпию и вызывает расслоение фаз1,2,3,7. Коллоидный раствор является прекрасной модельной системой для изучения фазового перехода и самосборки на атомном уровне, в которой коллоидные частицы рассматриваются как гигантские искусственные атомы8,9. Классические пути разделения фаз в коллоидных смесях были продемонстрированы путем изменения термодинамических переменных, таких как температура и/или взаимодействие растворителей10,11,12,13.

С другой стороны, активное вещество предлагает новый подход к реализации сложного фазового поведения за пределами термодинамического равновесия4,14. Сегрегация активных коллоидов была предложена как фазовое разделение, вызванное подвижностью15,16, при котором диспергированные самодвижущиеся частицы конденсируются из-за подвижности частиц и отталкивающего взаимодействия. Теоретически активная коллоидная смесь может саморазделиться из-за различных коэффициентов диффузии16, температуры17 и активности18,19.

Совсем недавно были разработаны микропловцы с легким приводом20,21,22 в качестве управляемого наноробота, который предлагает потенциал для биомедицинского применения и функциональные новые материалы23,24, поскольку активность пловца, направление выравнивания и взаимодействие между частицами можно легко модулировать с помощью падающих частиц. свет. Благодаря своей гибкости активная коллоидная система, работающая на свету, недавно была применена для исследования активной материи5,6, в которой взаимодействия частиц можно многократно включать и выключать. С другой стороны, одной уникальной особенностью активных коллоидов, работающих на свету, является то, что частицы могут быть спроектированы так, чтобы реагировать на разные длины волн и состояния поляризации света25,26, что позволяет избирательно возбуждать один вид коллоидов в растворе коллоидной смеси. Здесь мы представляем простую спектрально-селективную активную коллоидную систему, состоящую из светочувствительных коллоидных частиц TiO2, суспендированных в окислительно-восстановительном растворе. При фотовозбуждении окислительно-восстановительная реакция на частицах TiO2 генерирует химический градиент, который регулирует эффективное межчастичное взаимодействие. Путем смешивания нескольких идентичных в остальном коллоидных частиц TiO2, загруженных красителями с разными спектрами поглощения, и регулировки спектров падающего света можно реализовать необходимое коллоидное фазовое разделение.