鑽石舞台

許多種類的生物，如群居細菌、魚類和鳥類，可以自組織動態聚集形成各種非平衡集群來適應其複雜多變的生存環境。仿生非平衡活性集群與組裝體的研究在人工智能、活性材料和集群機器人方面具有重要的科學意義和技術價值。微納米馬達，作為一種能夠將光、磁、化學能等其他形式能量轉換成自身動能的合成膠體粒子，能自主構建形成非平衡集群和組裝體。然而，現有的非平衡活性組裝體主要是由具有非對稱化學組分和幾何形狀的微納米馬達構成，它們之間局部相互作用易受布朗轉動影響，導致組裝體的可操控性低，僅能表現出較簡單、單調的群體行為。與此形成對比，各向同性結構的微納米馬達具有光致取向均一穩定的特點，能夠消除其自身布朗轉動而產生的擾動。基於此，官建國教授與牟方志研究員團隊發展了馬達間相互作用的可光編程策略，構建出了具有豐富、複雜與可控群體行為的非平衡活性組裝體,包括馬達相互吸引時自聚集組裝形成的膠體晶，相互排斥/取向時形成的趨光膠體流，以及相互吸引/取向時形成的趨光膠體晶。該工作將為新型非平衡膠體晶體模型系統的建立和智能動態微器件的發展提供新思路。

近期，武漢理工大學官建國教授與牟方志研究員團隊提出以各向同性的草莓狀TiO2@Pt核殼粒子馬達為基元構建可光編程非平衡組裝體的設計策略。光照下，由於光的穿透深度有限，一個球形馬達將被分成光照面和陰影面兩個部分。由於它們的各向同性結構，其自身布朗轉動不會影響光化學反應在其周圍引起的產物梯度，且該產物梯度只與光照方向有關（Adv Mater2017, 29 (3), 1603374）。在本工作中，他們發現光化學反應產生的H+濃度梯度始終由馬達光照邊指向其陰影邊，進而引發粒子和基板表面穩定的雙電層流動，並在二者更靠近光照一側的限定空間中產生局部流體壓力變化（∆p）。更重要的是，作者發現當光從不同方向入射時，流體壓力會分別表現出減小和增大的趨勢，從而引起馬達間的吸引、排斥和取向相互作用。因此，可通過控制光照方向來控制各向同性馬達間相互作用的自由切換（圖1a），進而使其可以組裝形成集群結構動態可調的非平衡活性組裝體（圖1b）。

圖1 各向同性微米馬達的可光編程相互作用（a）及其非平衡組裝體的自組裝結構動態控制（b）示意圖

圖2 各向同性TiO2@Pt微米馬達的表徵（a）、趨光性運動行為（b）與機理（c）

經過實驗和模擬驗證，作者發現當多個馬達相距較近的時候，紫外光照引起的流體壓力變化會使馬達間產生明顯的相互作用，且當光照方向改變的時候，相互作用的形式也發生變化。即馬達在豎直向上的光照下表現出相互吸引（圖3a），而當光照方向傾斜向下時表現出相互排斥與取向運動（圖3b）。因此，作者可通過控制光照方向或使用疊加光來控制各向同性馬達間相互作用類型與相對大小，從而控制非平衡組裝體的形成與轉變。

圖3 各向同性TiO2@Pt微米馬達在紫外光照下的相互作用（a,b）與非平衡組裝過程（c-h），包括微米馬達在豎直向上光照下時相互吸引自聚集組裝形成膠體晶（c,d），在傾斜向下光照時相互排斥/取向形成趨光膠體流（e,f），以及在疊加光時相互吸引/取向形成趨光膠體晶（g,h）

圖4 以疊加光邊界為「光刀」對膠體晶體「剪切」的機理（a）與過程（b）

這種各向同性粒子間相互作用的光編程控制原理與策略，有望推動新型非平衡膠體模型系統的建立，模擬並解析原子和分子晶體的複雜動態相變過程。另外，該工作中提出的各向同性馬達光操控組裝策略將促進原位智能動態微納器件的發展，如可重構集群機器人、運動型響應性光子晶體、動態微透鏡陣列和自適應運動等離子體器件等。