清華新聞網(wǎng)3月31日電 膠體粒子是具有不同大小和組成的，為穩(wěn)定分散在液體環(huán)境中的尺度在納米到微米的微觀(guān)固體粒子。這些膠體粒子在恰當(dāng)?shù)臈l件下，會(huì)如同原子形核生長(zhǎng)組成物質(zhì)般通過(guò)自組裝或定向組裝得到具有特定結(jié)構(gòu)的膠體物質(zhì)。過(guò)去幾十年中，膠體粒子的自組裝和定向組裝得到了人們的廣泛關(guān)注。相比于熱力學(xué)自組裝，在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)或光場(chǎng)作用下的定向組裝能夠更好地設(shè)計(jì)具有復(fù)雜幾何形狀的膠體物質(zhì)。而相比于其他外場(chǎng)，激光極高的精度和豐富的光與物質(zhì)相互作用機(jī)制為膠體材料的微結(jié)構(gòu)化、多樣化、高精度組裝提供了技術(shù)路徑。
近日，材料學(xué)院李正操教授課題組和精儀系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組在系統(tǒng)總結(jié)目前的光誘導(dǎo)組裝工作的基礎(chǔ)上，從晶體學(xué)的獨(dú)特角度，將膠體物質(zhì)的光學(xué)組裝過(guò)程類(lèi)比為原子的形核、結(jié)晶、和生長(zhǎng)的過(guò)程，串聯(lián)介紹了光在不同階段的作用（圖1），探討了光在膠體材料的成核、擴(kuò)散、鍵合、生長(zhǎng)等過(guò)程中的作用機(jī)制和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了光誘導(dǎo)光力、熱泳、流場(chǎng)所產(chǎn)生的形核、富集等效應(yīng)對(duì)膠體組裝過(guò)程的影響規(guī)律。
圖1 原子組裝與膠體組裝的對(duì)比
光能夠通過(guò)光力形成勢(shì)阱或通過(guò)產(chǎn)生氣泡提供異質(zhì)形核界面的方式促進(jìn)膠體粒子的定點(diǎn)形核。在生長(zhǎng)過(guò)程中，光能夠通過(guò)誘發(fā)熱泳或者引發(fā)對(duì)流的方式，增強(qiáng)膠體溶液中的傳質(zhì)過(guò)程，以加速膠體物質(zhì)的生長(zhǎng)。光能夠引發(fā)包括光結(jié)合力、耗盡力在內(nèi)的多種膠體粒子間作用力，其中最強(qiáng)的范德華力能夠在粒子間產(chǎn)生超過(guò)10nN的作用力，這種光致粒子間作用力能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)或永久的膠體物質(zhì)（圖2）。
圖2 光在形核、富集、生長(zhǎng)過(guò)程中的部分原理示意圖
光誘導(dǎo)組裝體系結(jié)合了膠體顆粒自身性質(zhì)與組裝產(chǎn)生的集體行為，擴(kuò)展了膠體材料的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文章綜述了目前光致組裝體系在催化、微機(jī)械與手性光學(xué)器件，以及生物領(lǐng)域的應(yīng)用。文章也分析了目前光致組裝體系存在的一些問(wèn)題，指出光誘導(dǎo)膠體組裝技術(shù)的未來(lái)發(fā)展將依賴(lài)于對(duì)光學(xué)組裝過(guò)程中光物質(zhì)相互作用的更好理解，以便更好地控制膠體物質(zhì)的幾何形狀，得到更精確的設(shè)計(jì)和更加復(fù)雜的應(yīng)用。
本工作圍繞光誘導(dǎo)組裝技術(shù)與展望，以“光誘導(dǎo)膠體物質(zhì)的組裝”（Light-Directed Assembly of Colloidal Matter）為題3月23日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際材料領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。材料學(xué)院2019級(jí)博士生陳學(xué)廣為論文第一作者，通訊作者為林琳涵副教授、李正操教授和孫洪波教授。相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
材料學(xué)院李正操教授課題組主要致力于材料輻照效應(yīng)、載能束—材料相互作用、核能材料與系統(tǒng)安全的研究。精儀系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組主要致力于超快激光超精密制造、激光微操縱與超精密光學(xué)表征技術(shù)的研究。
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202104649
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
