哈爾濱工業大學賀強研究組：膠體馬達群體行為最新成果

【成果簡介】

哈工大基礎與交叉科學研究院微納米技術研究中心賀強教授研究組在光驅動膠體馬達的群體行為研究方面取得重要進展，在國際上首次發現在藍光照射下花生狀納米馬達能夠動態自組織形成可移動的一維膠體帶，同時展示正的趨光性。該研究成果以“光驅動的活性膠體帶”為題發表于國際著名期刊德國應用化學（影響因子12.0）。

【圖文導讀】

圖1 表征

（A）合成的花生形赤鐵礦膠體的SEM圖像
（B）花生形赤鐵礦膠體在298K的磁場下依賴磁化的SQUID測量
（C）自行式花生馬達在35％的時間內在10％H₂O₂的長軸上的軌跡

圖2 膠體馬達

在5％H₂O₂中，（A）φ?0.64％和（B）φ?4.1％的膠體馬達。

【研究內容】

自然界中群體行為隨處可見，諸如細菌群落生長、昆蟲集體合作、鳥類列隊遷徙、魚類集群趨避等，這些生物在生活中無論覓食、休息還是遷移等行為都是以集體為單位，彼此間相互關照、相互協助。受自然界中生物群聚的啟發，如何實現人工合成納米機器的群集與離散受到人們的廣泛關注，這是因為納米機器的集體協作可以完成超越個體能力的復雜任務。另一方面，向日葵朝向太陽、飛蛾撲向燈火等都是常見的趨光現象。生物的這種趨光性是因為生物需要光源定位自身的運動（如飛蛾），或是讓其更高效地轉換光能（如向日葵）。然而，如何模仿生物趨光性，設計能從光中獲取能量驅動自身運動的仿生納米機器，并可使人們通過光源方便地控制它們集體向特定的位置運動和富集，仍然是一個巨大的挑戰。通過向自然界學習，賀強研究組構筑了一種光引發膠體馬達自組裝形成的膠體馬達帶。這種可移動膠體馬達帶由花生狀的赤鐵礦膠體馬達構成，在藍光激發下，赤鐵礦膠體馬達作為一種光催化劑可以催化分解溶液中的過氧化氫，從而產生化學梯度并引發擴散-滲透流，為馬達提供沿其長軸自驅動運動的動力。當膠體馬達濃度較高時，馬達之間的擴散-滲透流相互擾動，其自有磁極之間相互吸引，使馬達在碰撞中沿著徑向一維組裝成膠體馬達帶。這些膠體馬達帶在梯度光場下向著光斑中心移動，表現出正的趨光性（類似“飛蛾撲火”），在光斑中心區域形成“向日葵”形的動態組裝體。這些自驅動膠體馬達是通過流體場的相互作用來“感覺”彼此，揭示在一定條件下膠體馬達個體層面上的有效碰撞足以形成有序的動態組裝體并實現穩定的集體定向運動。同時這些膠體馬達帶的群體行為存在巨數值漲落的典型非平衡體系特征。這種可利用光能來人為控制自驅動膠體馬達的聚集過程，并實現數百萬之眾向一個方向運動的研究結果可作為自驅動膠體馬達之間集體行為的模型來模擬自然界中生物的群體行為，設計新的自組織活性材料以及成群協同運動的納米機器人。

原文鏈接：http://news.hit.edu.cn/dc/8c/c416a187532/page.htm

文獻鏈接：Light-Activated Active Colloid Ribbons（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201708155）

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