胶体马达的“飞蛾扑火”

生物常以群体的方式生存，从宏观上动物的集群合作，到微观上细菌的群落生长，这些生物在大自然中无论觅食、休息还是迁移等行为都是以群体为单位，彼此互相交流信息、协同合作。通过模仿自然界中生物的群体行为，人们希望利用人工合成的纳米机器实现群集与离散，通过集体协作让纳米机器完成超越个体能力的复杂任务。另一方面，许多生物都具有趋光性，比如昆虫可以利用光判断自身的位置和运动方向，人们熟知的“飞蛾扑火”就是飞蛾在光的导向下不断向光源运动的趋光过程。像飞蛾一样利用光导向运动是十分理想的控制纳米机器的方法，然而目前设计的能从光中获取能量驱动自身，并模仿生物趋光运动的仿生纳米机器，使这些纳米机器可以在光源的操控下集体向指定位置运动和富集，仍然是一个巨大的挑战。

左图为昆虫的趋光运动，taken by fir0002 | flagstaffotos.com.au；右图为胶体马达趋光运动

受自然界的启发，哈尔滨工业大学的贺强教授（点击查看介绍）研究组最近构筑了一种光引发、可移动的胶体马达带，研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。这种可运动的胶体马达带由花生状的赤铁矿胶体马达构成，在蓝光的激发下，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，产生的化学梯度可以引发扩散-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，由于马达之间的扩散-渗透流互相影响，马达自有磁极之间相互吸引，导致马达在碰撞中沿着径向一维组装，形成胶体马达带。在梯度光场下，这些胶体马达带像“飞蛾扑火”一样向着光斑中心移动，表现为正趋光性，并在光斑中心区域形成圆形的动态组装体。这些自驱动胶体马达利用流体场的相互作用来“感觉”彼此，说明在一定条件下，有序的动态组装体可以由胶体马达个体层面上的有效碰撞形成，且这种动态组装体能在光场中定向稳定地集体运动。同时，这些胶体马达带的群体行为存在相分离和巨数值涨落等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，能实现数百万之众向一个方向运动，可作为自驱动胶体马达之间集体行为的模型，模拟自然界中生物的群体行为，为纳米机器人更复杂的协同合作提供理论基础，有望用于设计新的自组织活性材料。

该论文作者为：Zhihua Lin, Dr. Tieyan Si, Dr. Zhiguang Wu, Changyong Gao, Dr. Xiankun Lin, Prof. Qiang He

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Light-Activated Active Colloid Ribbons

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13517, DOI: 10.1002/anie.201708155

导师介绍

贺强

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