科學(xué)家們發(fā)明了一種水基混合物，當(dāng)它所處環(huán)境——比如磁場(chǎng)、溫度或者pH值發(fā)生變化時(shí)，這種混合物就會(huì)快速變色。科學(xué)家們將這種混合物命名為“光子水”。

光子水多彩性無人能及，除了能呈現(xiàn)可見光范圍中的任何顏色外，還能反射部分紫外和紅外區(qū)間的光。相較于其它所有固體或液體材料，光子水是有報(bào)道以來顏色變化范圍最廣的。

來自日本的多家研究機(jī)構(gòu)的研究者KokiSano等人在《NatureCommunication》上發(fā)表了相關(guān)論文。

科學(xué)研究中往往會(huì)發(fā)生無心插柳的故事，研究者們是在試圖分離不同粒徑的顆粒時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)了這種獨(dú)特的材料。雖然分離實(shí)驗(yàn)并不成功，但產(chǎn)生的現(xiàn)象卻令人驚奇——當(dāng)將分離產(chǎn)物放入水中時(shí)，水呈現(xiàn)出了鮮艷的紫色。

通過進(jìn)一步研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種多彩混合物同時(shí)表現(xiàn)出了流動(dòng)性和有序性。而這兩種概念乍一看是矛盾的，因?yàn)榱鲃?dòng)往往意味著無序。

但這種新物質(zhì)異乎尋常的具有高度有序性，就如同晶體結(jié)構(gòu)一般。此外，組成該物質(zhì)的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)間的間距非常大，最大可達(dá)675nm——這個(gè)間距對(duì)應(yīng)的反射波長(zhǎng)為1750nm（屬于紅外區(qū)間）。

經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)，這種液體不僅可以反射整個(gè)可見波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光——大約從400nm一直到700nm，甚至還可以反射位于紫外區(qū)間的370nm短波光。這一從370nm到1750nm是迄今為止有報(bào)道的，光子或“光調(diào)節(jié)”材料中最大的“顯色”范圍。

為何這種液體能夠反射如此多的顏色？光子水，正如它的名字那樣，其實(shí)很大程度上相當(dāng)于水：其中占體積99.5%的成分是水，剩下的0.5%為“活性成分”——由鈦酸鹽納米片（TiNS）和季銨鹽（Q+離子）組成。

當(dāng)把活性成分加入水中以后，它不會(huì)像鹽或糖那樣溶解，而是維持其原有結(jié)構(gòu)，如同沙子進(jìn)入水中一樣。這種非溶解性顆粒被稱為膠體顆粒，膠體顆粒進(jìn)入水中以后形成的物質(zhì)叫做膠狀分散體（通常簡(jiǎn)稱為膠體），但這種膠體并不同于現(xiàn)今人們知道的其他膠體。

這些膠體顆粒具有很強(qiáng)的極性，使得其單元結(jié)構(gòu)有序排列形成了長(zhǎng)間距結(jié)構(gòu)，賦予了這種新型膠體特殊的性質(zhì)。鈦酸鹽納米片具有很強(qiáng)的負(fù)電性，0.75nm厚的納米片就可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的互斥作用。通常，這種互斥作用會(huì)被包圍在四周的季銨鹽正電離子(Q+離子）減弱，Q+離子的存在很大程度上抵消了鈦酸鹽納米片間的負(fù)電互斥作用。

不同鈦酸鹽納米片濃度下，光子水呈現(xiàn)出不同的色彩

圖片來源：NatureCommunication

然而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用離心法去除部分Q+離子以后（離心法通常用于分離不同粒徑的膠體顆粒），膠體變成了紫色。當(dāng)缺少Q(mào)+離子削弱互斥作用時(shí)，膠體中的鈦酸鹽納米片會(huì)最大程度的分散，進(jìn)而導(dǎo)致液體中的物質(zhì)發(fā)生重排，長(zhǎng)的單元間距使得液體反射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。

反之，普通的水沒有這種有序的長(zhǎng)單元間距，使得它反射的光的波長(zhǎng)比可見光波長(zhǎng)短很多，因此普通水是透明的。

研究者表示，光子水的顏色可以跟隨膠體所處磁場(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行快速改變，而且這種變化是可逆的。磁場(chǎng)可以使鈦酸鹽納米片垂直于磁場(chǎng)方向排列。

類似的，對(duì)光子水進(jìn)行加熱或者制冷，會(huì)引起納米片間的間距變化，從而導(dǎo)致膠體顏色改變。即使是pH值的微小變化也能引起膠體顏色改變，比如可以從紅色（pH7.9）變?yōu)榫G色（pH7.7）再變到藍(lán)色（pH7.3），這是由于pH值變化會(huì)引起靜電排斥力的改變，導(dǎo)致光子水的結(jié)構(gòu)和顏色改變。

總的來說，光子材料在近紅外區(qū)域?qū)獾姆瓷湫阅埽梢栽谶h(yuǎn)程通訊中起到重要作用。雖然現(xiàn)階段操作起來還有難度，但光子水在這一領(lǐng)域和其他領(lǐng)域都具有應(yīng)用潛力。

Ishida表示，利用光子水對(duì)不同物理化學(xué)因素的響應(yīng)特性和其寬泛的色彩調(diào)節(jié)范圍，和智能光學(xué)設(shè)備一樣，人們可以將它應(yīng)用到很多領(lǐng)域，包括光學(xué)傳感、顯示、遠(yuǎn)程通訊中的近紅外過濾、光子激光等等。

研究者們還希望，這些研究結(jié)果能適用于液體以外的其他物質(zhì)。比如，最近他們將該實(shí)驗(yàn)方法用于軟性材料，通過加強(qiáng)鈦酸鹽納米片間的靜電相互作用，使軟性材料具備了特殊的功能。

科學(xué)家們希望這項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)不止給鈦酸鹽納米片帶來新生，還能夠讓傳統(tǒng)的膠體科學(xué)煥發(fā)新的生命。

參考：K.Sano, Photonic water dynamically responsive to external stimuli, NatureCommunication 2016, 7, 12559.