新加坡国立大学何锦韦/仇成伟《Science》子刊：实现跨越材料种类智能纳米粒子集群的同步、动态操控及其功能化利用

大自然中的集群生物，如鱼群、蚁群、雁群，可以实现单个生物个体无法实现的各种各样非常有趣的集体行为。在纳米科学和智能技术结合的新兴领域，模拟这种行为将给人们带来很多意想不到的机遇，而重现这种能力的关键在于在如何控制和耦合人工制备的、离散的材料个体，尤其是在流体环境中。到目前为止，人们一直在努力探索操纵物体的方法，在已知的各种策略中，光学捕获代表了一种能实现对微/纳尺度材料有效操作的途径。然而这种很有价值的方法同时也有效率相对较低以及无法实现大批量同步操作物体的限制。相比之下，传统的有机溶剂挥发能实现大量胶体纳米颗粒的有效集群组装，但是得到的组装体一般是比较固定，在结构可重构方面有一定的限制。

图1. SMARS的跨越材料种类同步集群操作能力、可重构能力的示意以及代表性实例展示

近年来，人们也在探索可以潜在地克服上述局限性的替代方法。其中，基于磁的操作是一种非常有吸引力的实现高效动态、同步控制的途径。在过去的几十年里，利用与磁学相关的性质发展出了许多技术，在如材料合成、生物医学、微流体和软机器人等不同领域取得了一系列进展。然而，除了诸多优势，大多数现有的基于磁场的控制策略要么是操作条件上有限制（如，只能在有图案的基底上操作等），要么是材料的适用性单一（如，仅适用于磁性材料）。与此同时，热刺激不仅具有远程、非侵入性控制的特点，而且可以很容易的和其他响应方式结合，提供了另外一种大量同步操作物质群的可能性。基于热响应，人们已经开发出了很多动态功能材料和系统。然而，不同于其宏观块体尺度材料的蓬勃发展，微型化热响应系统(微米到纳米级)的集群控制发展相对迟缓。并且，几乎所有的现有小型化系统仅能实现类似于颗粒在溶液中团聚等这些非常简单的控制，从而只有非常有限的功能和应用。另一方面，虽然在化学和材料科学中，不同种类的物质在水溶液中发生杂化团聚并不稀奇，但是最常见的结果是只有部分团聚或者出现严重的相分离，而想要高效动态同步操作这些不同种类的材料则更加困难。总之，由于不同材料在组分、物化性质、维度等等方面具有非常明显内在的差异，加之水的非常高的流动性，到目前为止，几乎没有在水环境中实现离散的、不同材料的动态同步操控的进展。

图2，动态热捕获机理说明及其通用性示例

基于以上背景，新加坡国立大学电子与计算工程系Ghim Wei Ho（何锦韦）教授课题组联合Cheng-wei Qiu（仇成伟）教授开发了一种动态热捕获策略，实现了跨越材料种类的智能纳米颗粒群集群（SMARS）的构建，克服了将不同纳/微米尺度材料有效整合到可动态、同步操控的集群材料系统上的挑战。SMARS由接有热响应高分子聚合物的宿主磁性纳米颗粒和可定制的非磁性被捕获物质组成。动态热捕获过程赋予了SMARS对于最初被认为是空间上不可寻址的不同成分的物体的可逆和同步操控能力。SMARS功能化示意及控制行为展示如图1所示。

图3. SMARS微链模块：同时具有颜色变化、可逆伸展收缩以及旋转弯曲等行为的“类变色龙”微米驱动器

SMARS的核心能力在于：其磁性宿主粒子可以接近100%的捕获和操控那些大小或数量要比宿主磁粒子大上几倍的非磁性外来物体（如图2所示）。此外，SMARS还具有可重构性和模块化，因为它具有可利用每一个单个物体和体系整体的流体特性的联合优点。因此，SMARS能够很容易地被重新配置为单一种类物体无法实现的功能化智能模块，比如微链模块（图3）、囊泡模块（图4）、液滴模块（图5）以及离子模块（图6）等，以实现局部式（如，驱动、形状变形、传输和分离）或分布式功能（如，对特定波长光的透过率、热电性能的远程调控）。

图4. 具有特定波长光选择性透过率调节和多尺度变化重构能力的SMARS囊泡阵列

图5. 具有任意方向长距离传输和指定地点可控分离的SMARS液滴模块

图6. SMARS离子模块：能对I3−/I−氧化还原对中疏水离子（I3−）浓度梯度进行调控，进而实现对以该离子对为电解液体系的热电性质进行非接触式的磁场控制。

以上工作以《Dynamic thermal trapping enables cross-species smart nanoparticle swarms》为题发表在期刊Science Advances。论文第一作者为新加坡国立大学Tongtao Li（李同涛）博士，通讯作者为Ghim Wei Ho教授和Qiu Cheng-wei教授，通讯单位为新加坡国立大学。

全文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eabe3184

DOI: 10.1126/sciadv.abe3184

来源：高分子科学前沿

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