Onderzoekers ontwikkelen meekleurende actieve colloïden voor de ontwikkeling van nieuwe slimme materialen

In de natuur vertoont de huid van koppotigen (dieren met tentakels aan het hoofd) een ongeëvenaard camouflagevermogen. Hun huid bevat pigmentgroepen die veranderingen in omgevingslicht kunnen waarnemen, en ze passen hun uiterlijk aan door de werking van pigmentcellen. Hoewel ingewikkeld van aard, is dit kleurveranderende vermogen fundamenteel gebaseerd op een mechanisch mechanisme waarin pigmentdeeltjes worden gevouwen of ontvouwd onder controle van radiale spieren.

Geïnspireerd door dit natuurlijke proces ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Jinyao Tang van de afdeling Chemie van de Universiteit van Hong Kong (HKU) een nieuw golflengte-selectief intelligent colloïdesysteem om lichtgestuurde multidimensionale fasescheiding te bereiken in samenwerking met wetenschappers van de Hong Kong University of Science and Technology en Xiamen University.

Het team vormt dynamische fotochrome nanoclusters door cyaan, magenta en gele microbeads te mengen, waardoor fotochromie op macroschaal wordt bereikt. Dit macroscopische fotochromisme is gebaseerd op door licht geïnduceerde verticale fasestratificatie in het actieve microbeads-mengsel, wat resulteert in de verrijking van gekleurde microbeads die overeenkomen met het invallende spectrum.

In tegenstelling tot bestaande kleurveranderende materialen, vertrouwt deze nieuwe fotochrome colloïdale zwerm op het herschikken van bestaande pigmenten in plaats van het genereren van nieuwe chromoforen in situ en is daarom betrouwbaarder en programmeerbaarder. De bevindingen van het team bieden een eenvoudige methode voor toepassingen zoals elektronische inkt, beeldschermen en actieve optische camouflage, wat een grote doorbraak betekent op het gebied van actieve materie. Hun onderzoeksresultaat is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.

Zelfaangedreven actieve deeltjes zijn micro-/nanodeeltjes die het gerichte zwemmen van micro-organismen in vloeistof nabootsen. Onlangs hebben ze veel aandacht getrokken in de nanowetenschap en niet-evenwichtsfysica en worden ze ontwikkeld voor potentiële biomedische toepassingen. Een van de belangrijkste onderzoeksdoelstellingen van actieve deeltjes is het ontwikkelen van medische micro-/nanorobots op basis van deze deeltjes voor medicijnafgifte en niet-invasieve chirurgie.

De structuur van actieve deeltjes is echter heel eenvoudig en hun aandrijfmechanisme en perceptie van de omgeving zijn aanzienlijk beperkt. Met name de grootte en de relatief eenvoudige structuur van de afzonderlijke micro-/nano-actieve deeltjes beperken de complexiteit van het uitvoeren van functies op hun lichaam. De uitdaging en sleutel tot het realiseren van de toekomstige toepassing is het maken van actieve deeltjes met intelligente eigenschappen ondanks hun eenvoudige structuur.

Door licht aangedreven microzwemmers, een soort zelfaangedreven actieve deeltjes, zijn onlangs ontwikkeld met als doel een bestuurbare nanorobot te creëren, die het potentieel biedt voor biomedische toepassingen en functionele nieuwe materialen, aangezien de zwemmeractiviteit, uitlijningsrichting en interactie tussen deeltjes kan gemakkelijk worden gemoduleerd met invallend licht. Aan de andere kant veroorzaakt licht niet alleen lichtgevoelige bewegingen bij microzwemmers, maar verandert het ook de effectieve interactie tussen deeltjes. Fotokatalytische reacties kunnen bijvoorbeeld het lokale chemische gradiëntveld veranderen, wat op zijn beurt het bewegingstraject van naburige deeltjes beïnvloedt door het diffusiezwemeffect, wat resulteert in aantrekking of afstoting over lange afstand.

In dit werk ontwierp het team van Tang een eenvoudige golflengte-selectieve TiO₂ actief microbeads-systeem gebaseerd op hun eerdere onderzoek naar door licht aangedreven microzwemmers. Bij foto-excitatie, de redoxreactie op TiO₂ deeltjes genereren een chemische gradiënt, die de effectieve deeltjes-deeltje-interactie afstemt. Dat wil zeggen, de interactie tussen deeltjes en deeltjes kan worden gecontroleerd door invallend licht van verschillende golflengten en intensiteiten te combineren.

TiO₂ microbeads met verschillende lichtgevoelige activiteiten kunnen worden gevormd door kleurstofsensibilisatiecodes met verschillende spectrale kenmerken te selecteren. Door verschillende overigens identieke TiO te mengen₂ microbeads soorten geladen met kleurstoffen van verschillende absorptiespectra en het aanpassen van de invallende lichtspectra, wordt de on-demand deeltjessegregatie gerealiseerd.

Het doel van het realiseren van deeltjesfasescheiding is het beheersen van de deeltjesaggregatie en dispersie in vloeistof op zowel micro- als macroniveau. In feite resulteerde dit in een nieuwe fotogevoelige inkt door microbolletjes met verschillende fotogevoeligheid te mengen die mogelijk op elektronisch papier worden toegepast. Het principe is vergelijkbaar met de pigmentclusters in de huid van koppotigen die de lichtconditie van de omgeving kunnen waarnemen en het uiterlijk van omliggende pigmentcellen kunnen veranderen door hun overeenkomstige acties.

“De onderzoeksresultaten hebben aanzienlijk bijgedragen aan het vergroten van onze kennis van zwermintelligentie in kunstmatige actieve materialen en hebben de weg geëffend voor het ontwerpen van innovatieve actieve slimme materialen. Met deze doorbraak anticiperen we op de ontwikkeling van programmeerbare meekleurende inkt die kan worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals als e-inkt, display-inkt en zelfs actieve optische camouflage-inkt,” zei Dr. Jinyao Tang.