Research|化学反应和电极化可重构组装“胶体分子”

成果简介

成都理工大学陈曦研究员和哈尔滨工业大学（深圳）王威教授合作，提出了一种可重构胶体自组装的策略，为构建具有自适应和可重构结构的智能材料提供了借鉴和思路。相关成果以“Reconfigurable Assembly of Planar Colloidal Molecules via Chemical Reaction and Electric Polarization”为题发表于国际著名学术期刊《Research》（JCR一区，中科院一区，IF＝8.5）上。

研究背景

胶体分子是由多个胶体粒子组成的粒子团簇，它既可以作为模型系统来研究晶体成核和玻璃化转变等过程，也可作为结构单元来构建功能材料，因此受到人们的广泛关注。胶体自组装可分为平衡态自组装和非平衡态自组装。其中，非平衡态胶体自组装能够在外部能量输入下表现出动态和自适应性等特征，呈现出组装结构的多样性和高复杂度，也被称为活性胶体自组装。活性胶体自组装的基本单元通常为活性胶体，它是能够将外部能量（化学能、电能、声能、光能或磁能）转化为自主运动的胶体粒子。虽然活性胶体能够展现出了有趣的自组装行为，但是实时精准地调控胶体自组装结构还较为困难。

研究结果

本工作利用化学场和电场实现了胶体粒子的可逆组装和原位调节。该胶体自组装结构中含有活性胶体粒子和惰性胶体粒子。其中，活性胶体粒子能够在溶液中发生化学反应而产生化学梯度，泳效应下活性粒子吸引周围的惰性粒子而形成活性-惰性胶体团簇。交流电场引起的排斥偶极作用能够使惰性胶体粒子相互排斥，从而形成以活性球为中心的胶体分子。通过调节化学场和电场能够调控胶体粒子之间的吸引和排斥作用，实现了胶体分子结构的原位控制（图1）。

图1. 胶体分子的设计原则。(A)活性粒子和惰性粒子之间的吸引和排斥相互作用形成胶体分子；(B)通过调节吸引和排斥相互作用控制胶体分子结构。

具体而言，该工作首先制备了Ag胶体粒子，Ag粒子能够与溶液中H2O2发生反应，引起的电泳和电渗流效应能够吸引溶液中的SiO2粒子，从而形成胶体团簇。在电场作用下，惰性粒子之间的排斥作用形成了核壳状胶体分子，“中心分子”为活性粒子，“配位分子”为惰性粒子。

图2.胶体分子的组装。(A)胶体分子组装的实验装置；(B)Ag和SiO2粒子在交流电场下的组装行为；(C) Ag和SiO2粒子在H2O2溶液中的组装行为。(D)在交流电场下及和H2O2溶液中胶体分子的形成；(E)胶体分子的扫描电子显微镜图；(F)Ag活性粒子吸引相互作用示意图；(G)电场诱导的偶极相互作用示意图；(H)光学显微镜和布朗动力学中的胶体分子。

此外，该工作通过调节电场和化学参数能够原位实时调节胶体粒子之间的吸引和排斥作用，从而控制胶体分子的结构。如图3所示，作者们通过调节交流电场频率原位控制了胶体分子的配位数。

图3.调节交流电场的频率调控胶体分子的配位数。(A) 100kHz交流电场形成AB5胶体分子 (B)75kHz交流电场形成AB4胶体分子。(C) 50kHz交流电场形成AB3胶体分子。(D)25kHz交流电场形成AB2胶体分子。上图：示意图。中：光学显微照片。下图：布朗动力学模拟。

https://doi.org/10.34133/research.0490

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