可编程胶体马达集群随光“奔跑”

自然界中，生物集群可以精准而快速地调整其形态以适应复杂多变的环境。例如，海洋中鱼群可以随时变换其形态以有效躲避鲨鱼的攻击。那么人工合成的胶体马达是否也能够响应环境的变化而精准调整其集群的形态呢？近日，哈尔滨工业大学贺强教授（点击查看介绍）研究团队设计并制备了紫外光驱动的二硫化钼胶体马达，实现了光驱动纳米尺度胶体马达集群的复杂形态构建与可编程动态控制。

自然界中，生物个体可以通过彼此间的通讯而无需一个领导者自发地形成集群（如鸟群、鱼群、细菌菌落等）。这些集群表现出了个体所不具备的群体智能等特性，具有灵活适应环境的超强能力，可以完成个体无法实现的复杂任务。例如，游动的鱼群虽然没有领导者，却能响应环境变化，动态地改变集群形态，灵活地躲避天敌。在不同尺度上模仿自然界中的集群行为，弄清普适性的集群规律，构建拥有集群智能的人工集群，一直是研究者的梦想之一。胶体马达展现了自主运动能力、运动可控性、驱动方式多样性、结构稳定性以及可批量制备等优点，可动态自组装形成各种复杂集群，成为认识活性体系的优异物理模型体系，同时在药物主动靶向递送和智能微纳机器人等领域也具有巨大的应用潜力，有望成为一种变革性力量。在外物理场和化学反应等众多引发胶体马达集群形成的方式中，光场具有可远程操控、易于开关、时空分布精准可控等特点，受到了研究者们广泛的关注。尽管胶体马达组装形成团簇的报道屡见不鲜，然而如何像生物集群一样自主响应环境变化完成自适应和交互式智能转换，实现胶体马达集群的可编程自组织和形态动态变构，从而展现集群智能，仍然是胶体马达领域面临的一大挑战。

针对这一关键科学问题，哈工大贺强教授研究团队提出了利用结构光场调控二硫化钼（MoS₂）胶体马达集群运动的新思路，实现了马达集群动态的图案化组装、解组装和形态可控变构。该研究通过水热法得到平均直径为257 nm的MoS₂胶体马达，在紫外光 (340-380 nm) 的照射下，MoS₂胶体马达与水和溶解氧发生光化学反应，导致其自身周围形成不对称的局域化学梯度场，使其可以进行自驱动运动。在梯度光场下，MoS₂胶体马达在正电荷和负电荷的基底表面均展现了正趋光性，即向光强最强的区域运动。实验和介观尺度模拟结果表明该马达这种独特的集群运动行为是由氧的扩散泳所主导的。

图1. MoS₂胶体马达的电镜照片（左图）及其光驱动机理（右图）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

利用自制的结构光照明系统对光源进行编程，可以实现MoS₂马达可控和可逆的组装与解组装，并形成“长方形”等形态各异、具有清晰轮廓的马达集群。该工作还使MoS₂胶体马达形成了“奔跑者”形状的动态集群，并且可通过调控光源使该“奔跑者”进行连续的“奔跑”，展现了该体系在实现集群可编程动态组装方面的优势。这种可重构的光驱胶体马达集群，具有高可控性和可重复性，为实现胶体马达集群运动与形态的精准控制提供了新思路，也为未来智能微纳机器人和活性软物质材料的构筑提供了新策略。

图2. 胶体马达集群在结构光照明系统控制下形成“人形”动态图案并可展现“奔跑”式可编程形态控制。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为陈美玲博士。

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Programmable dynamic shapes with a swarm of light-powered colloidal motors

Meiling Chen, Zhihua Lin, Mingjun Xuan, Xiankun Lin, Mingcheng Yang*, Luru Dai*, Qiang He*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202105746

导师介绍

贺强

https://www.x-mol.com/university/faculty/46676