膠體晶體
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-29
膠體晶體的實例教程
，由于膠體晶體中晶體擇優生長而導致的織構發展的研究較少。
在此，來自美國加州大學河濱分校的Yadong Yin等研究者，展示了磁鐵礦納米棒根據其縱橫比，沿著一個臨界角度相互作用，并組裝成體心的四方膠體晶體。
相關論文以題為“Coupling morphological and magnetic anisotropy for assembling tetragonal colloidal crystals”發表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1289
膠體晶體是膠體粒子的有序超結構，其重復亞基比類似的原子和分子晶體大得多。膠體晶體中物質和表面配體的空間配置，控制著許多物理和化學性質，可以通過調整亞基復合材料、大小、形狀和晶體結構，來實現納米級精度的定制。
展開 麻省理工學院的研究團隊研發了一種新技術，該技術將膠體粒子自組裝和墨水直寫3D打印相結合，能夠制造出厘米高的晶體材料，每個晶體由數十億個單體膠體制成。
麻省理工學院指出，目前科學家已經開發出將膠體溶劑蒸發并組裝成薄膜的技術，比如說根據單個顆粒的大小和排列過濾光制造的顏色顯示器就是用這種技術制造的。但是這種膠體組件僅限于薄膜和其他平面結構，麻省理工學院的新研究旨在利用粒子自組裝和3D打印技術構建任何三維形狀的膠體材料。
相關研究論文“Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly”, 發表在Advanced Materialis 期刊中。
可改變顏色的三維膠體結構
膠體是一種混合物，其中一種微觀分散的不溶性顆粒物質懸浮在另一種物質中。膠體可以是大分子或小顆粒，通常在1納米到1微米之間，并懸浮在液體或氣體中。在日常膠體中，顆粒大小和它們通過溶液分散的方式完全是隨機的。
麻省理工學院研究團隊的思路是，通過蒸發膠體液體溶劑，將均勻尺寸的膠體顆粒驅動在一起，將它們組裝成有序晶體，從而產生整體上具有獨特光學，化學和機械性質的結構。這些晶體可以表現出與自然界天然結構類似的性質，例如蝴蝶翅膀中的虹彩細胞，以及海綿中的微觀纖維。
納米粒子從針頭分配到旋轉臺上，產生含有數十億納米粒子的螺旋晶體。圖片來源:MIT
我們可以形象的將單個顆粒想象為一個足球，研究人員用這一新技術制造三維晶體結構的過程就好比是用無數足球搭建一幢摩天大樓一樣，只不過他們的研究工作是在微觀層面上展開的。
研究人員使用定制的3D打印設備創建了微小的三維膠體顆粒塔，3D打印設備由打印針頭、注射器和兩塊可加熱鋁板組成，針頭與注射器被安裝在鋁板上方，打印時由針頭將膠體材料沉積在鋁板上。
展開 a）這是含有0.20wt％炭黑（CB）的球形膠體晶體的照片。二氧化硅微粒的粒徑為200?300nm，使用11種不同的粒徑。b）這是使用使用具有各種粒度和CB的單分散二氧化硅顆粒制備的球形膠體晶體繪制的一個象鼻的圖片。象鼻的周圍用不含CB的球形膠體晶體繪制，并隨著背景顏色而變化。（?Wiley）
正如Small雜志（“結合染料和染料的生物色彩材料”）所報道的，名古屋大學分子設計和工程系的研究人員開發了一種含有染料和晶體的材料，可以改變顯示的顏色和圖案，具體取決于在它內部使用的背景顏色以及它暴露在可見光或紫外光下。
該團隊受到啟發，通過在某些青蛙的皮膚中獲得的發現開發這種材料，其中具有不同性質的不同層的細胞結合起來以實現顯著的顏色變化。
這是由于光照和背景顏色而使用復合色料產生的牽牛花圖片的顏色變化。（?Wiley）
這種新型材料的每個組成部分都對其顏色屬性起著關鍵作用。例如，染料將其固有的顏色貢獻給材料的外觀，可以通過將它們混合到不同的程度來調節它們的顏色。這些染料還包括那些在曝光時會改變顏色的染料。
球形晶體也被引入到系統中，而不是通過其固有的色素沉著影響顏色，而是通過其可以直接干擾光的微觀結構影響它。最后，采用黑色顏料和不同背景顏色來改變系統其他組件顯示的顏色。
“我們研究了系統中不同組件的影響，例如通過改變晶體尺寸，將背景從白色轉換為黑色，或者對可見光或紫外光進行曝光，”通訊作者Yukikazu Takeoka說。“我們發現這些變化導致不同顏色在材料上顯示，類似于某些生物體因其環境中的各種因素而改變顏色的方式。”
這是由粒徑為250nm的二氧化硅微粒構成的球形膠體晶體的電子顯微鏡照片：（a）顯示一個球形膠體晶體的圖像，（b）球形膠體晶體的表面圖像，（c）球形膠體晶體，和（d）保持在125μm和150μm之間的網眼尺寸之間的球形膠體晶體。
展開 光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工有序微結構。與半導體晶體對電子的控制類似，光子晶體能夠對光子的存儲和傳播進行有效地控制。而且，由于光子之間沒有相互作用，其對光子可以實現比電子更精確的控制，從而進一步提升芯片的性能。這就使得光子晶體材料在光通信、量子計算、光電子集成等領域的應用前景不可估量。全空間禁帶三維光子晶體的獲得是諸多應用得以實現的前提。“自下而上”的膠體粒子自組裝為實現全空間禁帶三維光子晶體制備提供了重要途徑。然而，如何通過簡單有效的膠體粒子自組裝策略實現三維光子晶體的結構設計與性能調控，仍是目前國際光子晶體領域極具挑戰性的課題之一。
已有光子晶體理論預測結果表明，全空間禁帶三維光子晶體通常具有低配位的非緊密堆積結構，如金剛石（diamond）和燒綠石（pyrochlore）晶格等。但是，這些三維低配位晶格在熱力學上往往是不穩定的，由各向同性球形膠體粒子直接組裝是難以實現的。通過在膠體粒子表面修飾具有選擇性結合能力的聚合物 “補丁”獲得“人工原子”，進而利用聚合物“補丁”之間的各向異性相互作用誘導膠體粒子組裝為實現三維低配位晶體結構提供了可行性。目前，基于具有特殊補丁數目、補丁排列方式和形狀的多補丁膠體粒子，理論模擬已經預測了金剛石和燒綠石等非緊密堆積晶格。但是，復雜的多補丁膠體粒子的實驗制備難度和成本同樣是非常大的。如何利用實驗上簡單易得的補丁膠體粒子自組裝構筑三維低配位晶體結構是實現三維膠體光子晶體材料需要解決的核心問題。
隨著聚合方法學的發展，基于超支化聚合物、聚合物膠束、聚合物接枝納米粒子等體系，實驗上已經能夠制備兩面神和補丁聚合物膠體粒子。
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膠體晶體的最新內容
膠體晶體中物質和表面配體的空間配置，控制著許多物理和化學性質，可以通過調整亞基復合材料、大小、形狀和晶體結構，來實現納米級精度的定制。因此，膠體組裝已成為光子學、結構材料、機器人和催化等多種功能材料生產的有效策略。球形或多面膠體的組裝，主要由熵過程主導，包括耗損、疏水力和聚合物“彈性”，產生緊密表面接觸的密集排列膠體晶體。
尤其是，盡管使用“膠體晶體”這一術語來強調微觀結構的長程有序(類似于原子晶體)，但人們對膠體晶體在自組裝過程中的晶體演化知之甚少。在蒸發誘導的膠體晶體中，沿著<110>封閉方向優先生長，這一令人困惑但普遍觀察到的現象的潛在機制目前尚不清楚。<110>的生長方向已經在各種粒子化學、蒸發速率和基質材料的許多過程中觀察到，暗示了這是一個普遍的潛在機制。
在這些前期工作基礎上，針對上述科學問題，最近他們提出了利用簡單的軟兩面神膠體粒子自下而上自組裝策略來構筑三維膠體光子晶體的新思路。如圖1所示，增大膠體粒子表面的綠色補丁尺寸，每個補丁的接觸數會從3增加到4，兩面神粒子會分別形成了正四面體和正八面體團簇，同時合理調節兩面神膠體粒子的粒子軟硬度，就能有效地調控這些團簇的堆積方式。
圖2.膠體補丁顆粒自組裝制備膠體金剛石光子晶體。(a)合成膠體簇；(b)合成四面體結構DNA功能化補丁顆粒；(c)膠體融合制備四面體補丁顆粒；(d)合成四面體壓縮簇；(e)四面體部分壓縮簇；膠體金剛石共聚焦顯微鏡照片(f) 111面；(g)110面；(h)四面體部分壓縮簇自組裝得到的膠體金剛石光子晶體.
在此，來自北京大學的徐莉梅&日本東京大學的Hajime Tanaka&復旦大學的譚鵬等研究者，報告了在深層過冷下帶電膠體系統的快速晶體長大行為，其中液體擴散率極低。
Janus浸潤性薄膜的構筑及性能
首先通過垂直沉積方法從二氧化硅納米粒子的自組裝中得到膠體晶體模板。然后通過復制模板，制備了PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石結構的薄膜，為了制備具有Janus浸潤性的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石薄膜，在制備的反蛋白石支架的上層附著蠟燭煙灰，使其上層具有超疏水性。
隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
為驗證想法，接下來通過各種X射線測量技術或膠體晶體實驗的光學顯微鏡獲得的3D成像數據，構建初始位錯微觀結構的特征，然后試圖預測樣品強度的相應實例ε = 0.1%（典型的屈服應變的定義之一）。應用基于ML的優化算法(如貝葉斯優化)設計材料微觀結構，可以得到具有預期力學性能的試樣，如屈服應力大或變形波動小，可能是未來研究的另一種途徑。
圖5 絲棒輥涂法構筑大面積膠體光子晶體膜
a-c) 絲棒輥涂法構筑大面積膠體光子晶體膜; d, e) 大面積膠體光子晶體膜用于LED增亮。
全文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh00248g#!divAbstract 來源：高分子科學前沿
光學顯微鏡下的3D打印膠體晶體。圖片來源:MIT
麻省理工學院的研究團隊在研究中使用了三種膠體材料來驗證這一技術，包括：聚苯乙烯顆粒、二氧化硅和金納米顆粒。
研究團隊使用聚苯乙烯顆粒在水中的溶液，并3D打印了厘米高的塔和螺旋結構。每一個結構都包含30億個粒子。在隨后的試驗中，他們測試了含有不同尺寸聚苯乙烯顆粒的溶液，并能夠通過改變單個顆粒的大小，改變3D打印膠體結構的顏色。
