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哈工大贺强 《Angew》:利用光驱动胶体马达可程序化编程动态图案
2021年05月13日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

在自然界中,个体生物之间存在相互作用,并且可以在没有领导者集中控制情况下自组织成各种复杂的动态模式,这些行为表现出凝聚力、灵活性和集体智慧等迷人的特征。例如鸟群,鱼群,蝗虫群,火蚁群,细菌菌群及其他活性系统。这些集体行为使他们能够更好地适应周围的环境,或完成个人无法完成的复杂任务中国化工网okmart.com。在这些集体导航的生物系统中,随着密度的增加,有一个从无序状态到有序状态的相变。受这些生物学特性启发,人工胶体马达因其良好的可控性、合成多样性和自动推进的能力,以及其群集自组装成动态结构和群体的特性吸引了研究者的广泛关注,被认为是主动靶向递送、智能设备和生活打印等领域的理想候选材料。

近些年来,一些研究者们致力于研究外物理场(电、磁或光)驱动或内部化学信后触发的非平衡系统的集体行为。特别地,光驱动力可以实现空间和时间上精准控制,因此,光驱动的群集行为受到了更多的关注,因为群集运动可以瞬间被触发,并远程关闭。目前,光驱动的胶体马达研究多集中于光酸发生器、赤铁矿、金属、AgCl、Ag3PO4和Janus材料等。在这些系统中,胶体马达的扩散电泳和沿衬底的渗透流动是由化学不平衡产生的,并驱动胶体马达靠近或远离光源。尽管研究者们已经实现胶体马达自组装成簇,但可模仿生物体的协作能力,并可以通过编程排列成动态形状的可重构胶体马达的游动仍然是目前面临的一大挑战。

因此,哈尔滨工业大学贺强教授组设计制备了二硫化钼胶体马达(如图1),在紫外光照射下,二硫化钼胶体马达的游动可实现复杂结构的可编程自组织。

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Scheme 1. MoS2胶体马达的表征。

在光化学反应过程中,由底物诱导产生的自扩散电泳和渗透流使MoS2胶体马达自动运动。MoS2胶体马达在带负电荷和带正电荷表面的集体运动,进一步证实了O2梯度诱导的扩散电泳主导了胶体马达的正趋光性,这与中尺度模拟结果一致。单独的MoS2胶体马达产生可控和可逆的组装或解组装。利用自制的结构照明系统对二硫化钼胶体电马达进行复杂结构的图案化编程。胶体马达的群集智能运动实现了形状的变换,为智能微机器人和软材料的应用提供了一种新的策略。

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Figure 1. 用MoS2胶体马达动态组装的“跑步者”:使用结构化紫外光实现的“跑步者”形状的MoS2胶体马达群示意图。(B-D) MoS2胶体马达表现出“跑步者”形状和(E)光源关闭时的迅速解组装。(F, G)当再次应用灯光时,“跑步者”图案被重构。(H)关闭光源,胶体马达在60秒内扩散。

结论: 作者报道了一种光驱动二硫化钼(MoS2)胶体马达群的动态组装、解组装和可重构行为。光化学反应产生化学梯度,可通过MoS2胶体马达驱动它们移动,并使胶体马达显示正趋光运动。中尺度模拟表明,MoS2胶体马达上局部消耗的氧梯度引起的自扩散电泳主导了趋光运动。通过对结构照明的编程,可以实现外部调节下胶体马达群的集体迁移和明确的动态成形。类似于自然界中生命系统的涌现行为,胶体马达可编程群集转换的实现,为具有自适应和交互功能的活性软材料和系统提供了直接的概念验证。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学
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