哈尔滨工业大学贺强研究组：胶体马达群体行为最新成果

【成果简介】

哈工大基础与交叉科学研究院微纳米技术研究中心贺强教授研究组在光驱动胶体马达的群体行为研究方面取得重要进展，在国际上首次发现在蓝光照射下花生状纳米马达能够动态自组织形成可移动的一维胶体带，同时展示正的趋光性。该研究成果以“光驱动的活性胶体带”为题发表于国际著名期刊德国应用化学（影响因子12.0）。

【图文导读】

图1 表征

（A）合成的花生形赤铁矿胶体的SEM图像
（B）花生形赤铁矿胶体在298K的磁场下依赖磁化的SQUID测量
（C）自行式花生马达在35％的时间内在10％H₂O₂的长轴上的轨迹

图2 胶体马达

在5％H₂O₂中，（A）φ〜0.64％和（B）φ〜4.1％的胶体马达。

【研究内容】

自然界中群体行为随处可见，诸如细菌群落生长、昆虫集体合作、鸟类列队迁徙、鱼类集群趋避等，这些生物在生活中无论觅食、休息还是迁移等行为都是以集体为单位，彼此间相互关照、相互协助。受自然界中生物群聚的启发，如何实现人工合成纳米机器的群集与离散受到人们的广泛关注，这是因为纳米机器的集体协作可以完成超越个体能力的复杂任务。另一方面，向日葵朝向太阳、飞蛾扑向灯火等都是常见的趋光现象。生物的这种趋光性是因为生物需要光源定位自身的运动（如飞蛾），或是让其更高效地转换光能（如向日葵）。然而，如何模仿生物趋光性，设计能从光中获取能量驱动自身运动的仿生纳米机器，并可使人们通过光源方便地控制它们集体向特定的位置运动和富集，仍然是一个巨大的挑战。通过向自然界学习，贺强研究组构筑了一种光引发胶体马达自组装形成的胶体马达带。这种可移动胶体马达带由花生状的赤铁矿胶体马达构成，在蓝光激发下，赤铁矿胶体马达作为一种光催化剂可以催化分解溶液中的过氧化氢，从而产生化学梯度并引发扩散-渗透流，为马达提供沿其长轴自驱动运动的动力。当胶体马达浓度较高时，马达之间的扩散-渗透流相互扰动，其自有磁极之间相互吸引，使马达在碰撞中沿着径向一维组装成胶体马达带。这些胶体马达带在梯度光场下向着光斑中心移动，表现出正的趋光性（类似“飞蛾扑火”），在光斑中心区域形成“向日葵”形的动态组装体。这些自驱动胶体马达是通过流体场的相互作用来“感觉”彼此，揭示在一定条件下胶体马达个体层面上的有效碰撞足以形成有序的动态组装体并实现稳定的集体定向运动。同时这些胶体马达带的群体行为存在巨数值涨落的典型非平衡体系特征。这种可利用光能来人为控制自驱动胶体马达的聚集过程，并实现数百万之众向一个方向运动的研究结果可作为自驱动胶体马达之间集体行为的模型来模拟自然界中生物的群体行为，设计新的自组织活性材料以及成群协同运动的纳米机器人。

原文链接：http://news.hit.edu.cn/dc/8c/c416a187532/page.htm

文献链接：Light-Activated Active Colloid Ribbons（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201708155）

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