哈工大賀強教授團隊Angew：可編程膠體馬達集群隨光“奔跑”

2021年6月8日 10:03
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來源：X-MOL資訊


自然界中，生物集群可以精準而快速地調整其形態以適應復雜多變的環境。例如，海洋中魚群可以隨時變換其形態以有效躲避鯊魚的攻擊。那么人工合成的膠體馬達是否也能夠響應環境的變化而精準調整其集群的形態呢？近日， 哈爾濱工業大學賀強教授研究團隊設計并制備了 紫外光驅動的二硫化鉬膠體馬達，實現了光驅動納米尺度膠體馬達集群的復雜形態構建與可編程動態控制。

自然界中，生物個體可以通過彼此間的通訊而無需一個領導者自發地形成集群（如鳥群、魚群、細菌菌落等）。這些集群表現出了個體所不具備的群體智能等特性，具有靈活適應環境的超強能力，可以完成個體無法實現的復雜任務。例如，游動的魚群雖然沒有領導者，卻能響應環境變化，動態地改變集群形態，靈活地躲避天敵。在不同尺度上模仿自然界中的集群行為，弄清普適性的集群規律，構建擁有集群智能的人工集群，一直是研究者的夢想之一。膠體馬達展現了自主運動能力、運動可控性、驅動方式多樣性、結構穩定性以及可批量制備等優點，可動態自組裝形成各種復雜集群，成為認識活性體系的優異物理模型體系，同時在藥物主動靶向遞送和智能微納機器人等領域也具有巨大的應用潛力，有望成為一種變革性力量。在外物理場和化學反應等眾多引發膠體馬達集群形成的方式中，光場具有可遠程操控、易于開關、時空分布精準可控等特點，受到了研究者們廣泛的關注。盡管膠體馬達組裝形成團簇的報道屢見不鮮，然而如何像生物集群一樣自主響應環境變化完成自適應和交互式智能轉換，實現膠體馬達集群的可編程自組織和形態動態變構，從而展現集群智能，仍然是膠體馬達領域面臨的一大挑戰。

針對這一關鍵科學問題，哈工大賀強教授研究團隊提出了利用結構光場調控二硫化鉬（Mo S 2）膠體馬達集群運動的新思路，實現了馬達集群動態的圖案化組裝、解組裝和形態可控變構。該研究通過水熱法得到平均直徑為257 nm的Mo S 2膠體馬達，在紫外光 (340-380 nm) 的照射下，Mo S 2膠體馬達與水和溶解氧發生光化學反應，導致其自身周圍形成不對稱的局域化學梯度場，使其可以進行自驅動運動。在梯度光場下，Mo S 2膠體馬達在正電荷和負電荷的基底表面均展現了正趨光性，即向光強最強的區域運動。實驗和介觀尺度模擬結果表明該馬達這種獨特的集群運動行為是由氧的擴散泳所主導的。

哈工大賀強教授團隊Angew：可編程膠體馬達集群隨光“奔跑”的圖1

圖1. MoS2膠體馬達的電鏡照片（左圖）及其光驅動機理（右圖）。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

利用自制的結構光照明系統對光源進行編程，可以實現Mo S 2馬達可控和可逆的組裝與解組裝，并形成“長方形”等形態各異、具有清晰輪廓的馬達集群。該工作還使Mo S 2膠體馬達形成了“奔跑者”形狀的動態集群，并且可通過調控光源使該“奔跑者”進行連續的“奔跑”，展現了該體系在實現集群可編程動態組裝方面的優勢。這種可重構的光驅膠體馬達集群，具有高可控性和可重復性，為實現膠體馬達集群運動與形態的精準控制提供了新思路，也為未來智能微納機器人和活性軟物質材料的構筑提供了新策略。

哈工大賀強教授團隊Angew：可編程膠體馬達集群隨光“奔跑”的圖2

圖2. 膠體馬達集群在結構光照明系統控制下形成“人形”動態圖案并可展現“奔跑”式可編程形態控制。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

相關工作發表在 Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者為 陳美玲博士。


原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202105746


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