膠體晶體的案例
《PNAS》：蒸發誘導的膠體晶體中晶體擇優生長的微觀起源
，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。
《Science》子刊：耦合形態和磁性各向異性組裝四方膠體晶體
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 突破二維限制，麻省理工研發3D打印膠體晶體技術
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 復合材料模仿生物體的顏色變化
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 
中科院長春應化所李占偉副研究員和孫昭艷研究員團隊在三維膠體光子晶體的組裝和調控機制領域取得重要進展
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。
展開 有了這種材料還怕表白失敗？——隱形圖案“一氣呵現”
【前言】
近年來，源于大自然的靈感與結晶——光子晶體，由于具有獨特的光學特性，多次被Science列為未來熱點研究方向，并在傳感檢測、光學器件、顯示等領域展現出巨大應用前景。然而，如何低成本、大面積且精準組裝膠體光子晶體，一直是制約光子晶體廣泛應用的巨大瓶頸。
【成果簡介】
最近，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏（通訊作者）課題組，設計出了一種隱形圖案“一氣呵現”，且呵致變色的光子晶體材料。這一成果日前以題為“Breath-Taking Patterns: Discontinuous Hydrophilic Regions for Photonic Crystal Beads Assembly and Patterns Revisualization”在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。在本研究中，研究團隊通過仿生沙漠甲蟲背部收集水原理，采用親疏水單分子層圖案化設計，就可以在基底上實現高效與大面積形貌與尺寸可控的液滴陣列制備。同時，利用這種親疏陣列表面能差異，還可以實現膠體光子晶體低成本、大面積且精準組裝。通過調節親疏陣列圖案尺寸或組裝膠體光子晶體的微球尺寸，便可獲得不同尺寸或顏色的光子晶體顆粒陣列。
非常有趣的是，正常狀態下是看不見陣列化圖案的，對著圖案哈口氣，即可以實現“一氣呵現”——讓隱形圖案再現；待水分揮發，圖案又立即“隱形”。而且，這種“一氣呵現”還可以與膠體光子晶體陣列組裝結合起來，便可以實現呵致變色。這是因為往基底上吹口氣時，水份冷凝在親水的水凝膠光子晶體區域，使得水凝膠光子晶體顆粒由于溶脹從而產生肉眼可見的顏色改變；當水份揮發后，光子晶體又恢復到初始顏色。這種哈口氣即可實現隱形圖案再現和顏色改變，不僅可以廣泛應用與防偽與信息存儲等領域，而且在傳感檢測、疾病診斷等領域也擁有巨大應用前景。
展開 受煮牛奶啟發，南工大陳蘇教授團隊報道大面積光子晶體組裝最新成果
這項研究成果提升了對光子晶體自組裝規律的認知水平，也拓展與豐富了多維度功能材料組裝的制備手段。對光子晶體材料產業化應用具有重要的現實意義。課題組在此領域近一年發表了一系列光子晶體組裝工作：ACS Photonics, 2018, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00952; Small Methods 2018, 0, 1800104; Nanoscale 2018, 10, 19147-19153; J. Mater. Chem. C, 2018, 6(30): 8187-8193.
圖文導讀
圖1 基于“膠體皮”效應的膠體粒子揮發聚并自組裝過程。
a) 基于“牛奶皮”效應的膠體粒子揮發聚并自組裝過程示意圖； b) 自然界“牛奶皮”示意圖。c) 光子晶體全光譜打印技術及LED增亮應用。
圖2 膠體粒子自組裝過程研究。
a) 噴墨打印光子晶體過程液滴下落；b) 液滴的共聚焦圖像；c-e）不同環境溫度、乳液濃度下液滴形貌控制。
圖3 噴墨打印法構筑光子晶體圖案
a) 環境溫度和濕度對“膠體皮”生成的影響； b) 基底親疏水性對噴墨打印的影響； c, d) 噴墨打印精密圖案。
圖4 噴涂法構筑全光譜光子晶體結構色
a) 噴涂法構筑全光譜光子晶體結構色； b-c) 全光譜光子晶體的角度依賴行為。d) 噴涂法構筑光子晶體圖案。
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
展開 Rev.》發表光子晶體領域封面文章
但是膠體自組裝在大面積制備以及光子晶體品質等方法存在諸多挑戰，各種缺陷（裂紋、點線面缺陷等）的存在，大大限制了其廣泛應用。
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.
為了實現光子晶體的廣泛應用，科學家近年來紛紛投身于研究采用“自下而上”的膠體自組裝方法制備光子晶體。制備高品質大面積光子晶體以及各種結構的光子晶體成為近年來的研究熱點。該文章介紹了從膠體晶體組成單元出發，首次分析了光子晶體生長過程中各種缺陷及其形成的可能機理，揭示了制備高品質光子晶體可采用的幾種策略，然后介紹和總結了制備各種結構的光子晶體的自組裝方法，這些結構包括傳統的面心立方結構的澳寶石（Opals）和反澳寶石（Inverse Opals），體心立方結構，金剛石結構以及Pyrochlore結構的光子晶體(圖2)。此外，本文還對各種圖案化和球形光子晶體的制備方法也進行了綜述。
圖3.幾種制備高品質光子晶體的策略。
此外，通過總結和歸納，該文章還從理論的角度出發，提出了一套切實可用的理論，用于指導開發各種先進的自組裝方法制備高品質光子晶體，即通過調節膠體懸浮液化學，定制化自組裝基板性質以及操控薄膜干燥機理等手段，實現高品質大面積光子晶體的制備（圖3）。
展開 江雷院士團隊在光子晶體驅動材料研究取得新進展
江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。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)。
近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結構色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。通過COMSOL模擬了樣品的定向驅動性能，并利用單個薄膜（尺寸12mm *3mm* 20 μm）吸水后的驅動行為實現了單根機械軸的運動（圖2）。該研究工作為發展新型光子晶體的光學器件提供了借鑒。
圖2.
展開 機器學習晶體塑性變形
【小結】
作者觀察到一個塑性變形晶體模型的高度波動應力反應的可預測性。由于屈服強度的一個經典定義是應力對應于一個給定的應變閾值，研究結果可以直接理解為樣本的預測屈服強度對應于不同的應變閾值，評分參數S量化為不同的壓力閾值預測作用的效果，預應變和系統大小。
該研究可以推廣到3D DDD模擬，以及包含與位錯相互作用的淬火障礙的模型。在具有多滑動條件的3D位錯系統中，可預測性可能受到以下事實的影響：在這種情況下，fy1在應變期間不應保持恒定，這與具有單滑動幾何形狀的2D模型的當前情況不同。另一方面，在多滑動條件下的3D中，非活動滑移系統上的森林位錯可能提供在應變期間不會進化很多的特征，因此應該對預測有用。
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。
文獻鏈接：Machine learning plastic deformation of crystals (Nat. Commun. 2018, 9, 5307.)
展開 南京師范大學劉慈慧/狄云松/甘志星團隊《AFM》:具有Janus浸潤性和界面穩定漂浮性的仿生可調結構色薄膜
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。由于下層具有有序的反蛋白石納米結構，薄膜下層具有鮮艷的結構色，這是由光子帶隙（PBG）特性決定的，在光子帶隙中，同一頻率的光被禁止傳播和選擇性反射。反蛋白石層表現出不同的結構色，是由于周圍環境的變化導致折射率的變化導致的，使得Janus浸潤性薄膜具有可視化信號響應性。
圖1 Janus浸潤性薄膜的構筑過程與結構。a）制造過程的示意圖。b）所制備的光子晶體蛋白石結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c）制備的光子晶體反蛋白石結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。d)光子晶體蛋白石結構和反蛋白石結構相應的反射光譜和光學圖像。e)具有可調結構顏色的仿生Janus潤濕性薄膜的反射光譜。
利用上下表面相異的超浸潤性能，Janus浸潤性薄膜還具有優異的界面穩定性和抗旋轉性能力，在實際應用中能夠穩定的漂浮在界面上。在實驗中即使薄膜被翻轉過來，在水的運動下也能恢復和保持初始狀態。
圖2 Janus浸潤性薄膜上下表面相異超浸潤性和抗旋轉能力。a)浮在水面上的薄膜的示意圖。b)證明了漂浮在水面上的仿生Janus薄膜的超浸潤性。c)仿生Janus浸潤性薄膜在水的運動下保持其原始的形狀，顯示出良好的抗旋轉能力。
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最新《Nature Materials》：在超低溫，也能實現晶體快速生長！
最近的一項模擬工作顯示，當幾何阻力效應可以忽略時晶體快速生長，是由于界面顆粒的無阻擋有序性，并由常數K(T)表征。膠體實驗通過“無能壘跳躍”(barrier-free jump)，進一步觀察了晶體的生長，這種“無能壘跳躍”對應于粒子的隨機游動，轉化為原子系統中的碰撞受限生長。
冷卻時，液體擴散的急劇減緩，似乎表明在深度過冷時無能壘有序，可能是快速晶體生長的機制。然而，這一假設仍有待實驗驗證。此外，快速、深過冷傾向于給固相帶來更多的無序。因此，晶體生長過程如何消除無序并決定晶體質量是另一個關鍵問題。
在此，研究者將膠體實驗與單粒子分辨率和數值模擬相結合，表明快速晶體生長是通過界面上的無阻擋集體運動進行的，而沒有涉及籠外擴散。通過實驗和模擬相結合，研究者發現這一過程，是通過壁致無阻擋有序進行的，其由兩個耦合步驟組成：粗糙界面的階梯狀前進瓦解了阻挫，然后在新形成的固相內部進行缺陷修復。前者是一個無擴散的集體過程，而后者控制晶體質量。研究者進一步分析表明，由于晶體生長前沿的無序玻璃態的內在力學不穩定性，即使在超低溫下，也可以實現多米諾骨牌式的快速晶體生長。
圖1 快速晶體生長的界面輪廓。
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