香港大学唐晋尧团队最新《Nature》：新型可编程光致变色墨水！

当你阅读这篇文章时，意味着你眼睛里的各种受体正在被激活。这些受体通过向大脑发送信号对光作出反应，使你能够通过对颜色和亮度的感知来辨别不同波长的光。

今日，香港大学化学系的唐晋尧团队基于团队在光控微纳米机器人成果，与香港科技大学、厦门大学合作，报告了一种墨水的开发，它可以被特定颜色的光激活，很像眼睛里的受体。然而，作者的墨水颗粒在被激活时并不发送信号，而是变得可动，并重组为反映激活光线的结构，从而呈现出其颜色。这种反应通常只在自然界中看到——例如，墨鱼在面临捕食者的情况下，在几秒钟内将其整个身体伪装起来的能力。

Figure 1. 感光颗粒的相分离产生变色墨水

详细而言，研究人员设计了一个简单的光谱选择性活性胶体系统，其中TiO2胶体物种用光谱独特的染料编码以形成光致变色胶体群。在该系统中，可以通过将入射光与各种波长和强度相结合，来对粒子-粒子相互作用进行编程，以实现可控的胶体凝胶化和分离。此外，通过混合青色、品红色和黄色胶体，配制了动态光致变色胶体群。在彩色光的照射下，胶体群由于分层相分离而适应入射光的外观，为彩色电子纸和自供电光学伪装提供了一种简便的方法。该研究以“Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation”为题发表在Nature期刊上。

【光谱敏感胶体系统中的粒子相互作用可调性】

近年来，非平衡态物质的研究已经逐渐从传统的生物体系拓展到以人工合成材料为基础的活性物质。在不混溶的混合物（例如油和水）中普遍观察到相分离，其中混合熵被分离焓克服。然而，在单分散胶体系统中，胶体-胶体相互作用通常是非特异性和短程的，这导致可忽略的分离焓。

作者合成了一种光响应微粒的悬浮液（染料敏化胶体），每个微粒的宽度与人类头发的宽度相同，并在其上涂上各种染料。然后可以使用与粒子染料吸收的波长相同波长的光选择性地激活粒子。例如，青色粒子会被红光激活，因为它们对红光的吸收使它们呈现出青色。当这种光被吸收时，它会产生一种化学反应，在粒子周围产生不均匀分布的带相反电荷的离子，这反过来又会导致附近的离子移动，从而产生一个移动激活粒子的流场。这个过程被称为扩散电泳，它被广泛用于在生命系统中产生流动，从细胞成分到整个生物体。

如图1a所示，可以通过选择性地调节二元胶体混合物中的粒子间电位来分两步监测分离过程。首先，将类似的粒子相互作用应用于两种组分（红色和蓝色粒子），可以制备混合均匀的分散相。然后，一种组分（红色颗粒）的吸引势被调整为明显大于另一种组分（蓝色颗粒），这有助于产生有效的过剩焓（图1b）并导致分离。

图 1. 胶体混合物中的相分离示意图

在本文系统中，扩散泳流导致主动粒子聚集在一起，而被动粒子仍然分散在溶液中（将未激发的粒子表示为“被动”粒子，而光激发粒子是“主动”粒子）。这导致了粒子的分层，因为流动向下移动了主动簇，将被动粒子移动到它们上方并有效地屏蔽了主动粒子。该配置在足够长的时间内保持稳定，可以移除光源。然后，悬浮液反射的光的颜色完全由被动粒子决定。并且主动粒子之间的吸引力强度可以通过光源的强度来控制（图2）。

图 2. 用光照调制的染料敏化胶体的光谱选择性有效电位

【光谱选择性光致相分离动力学】

为了研究胶体混合物的相动力学，作者制备了LEG4与SQ2比例为一比一的充分混合的胶体溶液，并将其限制在具有中等面积分数的矩形毛细管中，并受到均匀照明以选择性地激活一种胶体物种。作者使用布朗动力学模拟来对观察到的分离动力学进行解释。这种分离类似于由两种类型的被动粒子组成的系统，它们可以分离成长期共存的不同成分的两相。然而，作者的簇大小增长的方式并没有反映在这些被动双组分混合物中预测和观察到的增长，即使完全被动系统是由两相之间界面处的流动驱动的。在所有活性系统中，相分离的动力学并不相同：在某些情况下，分离只能由粒子的运动引起，而在其他情况下，簇大小可能受到限制。由扩散电泳驱动的系统可以是高度动态的，并且具有由粒子的自推进速度控制的平均簇大小。

图 3. 光致二元混合物相分离的实验和布朗动力学模拟

图 4. 光谱可调二元和三元混合物分离

【三维相分离和光致变色胶体群】

为了证明该光反应颗粒可以形成一种变色墨水，研究人员使用青色、品红和黄色颗粒的混合物来创造图像。他们将图像投射到含有这三种颗粒的溶液表面。研究人员发现，主动颗粒的隔离和随后的沉淀导致图像出现在溶液的表面（图5）。主动和被动颗粒的这种分层隔离使作者能够一个接一个地嵌入一系列图像，因为每个图像都是完全根据投影激活的颗粒重组而产生的。

图 5. 3D 相分离和光致变色胶体群

【总结】

本文展示了一种光谱选择性活性胶体混合物系统，其中可以通过控制照明光谱和强度轻松调整粒子-粒子相互作用，实现了胶体溶液的从微观作用控制到宏观上的可控胶体相分离，最后在物理性质上得到体现和应用。研究团队已经在相对较弱的光照条件下，使用投影仪，展示了在活性变色胶体中可逆写入彩色图片能力。总体而言，该研究成果有助于人们对人造活性材料“群体智能”的理解，即活性材料通过协作和交互作用产生更高层次的行为和功能。这种新型可编程光致变色墨水可发展应用到全彩电子墨水或者主动光学伪装等场景中。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。

封面来源于图虫创意