Forscher entwickeln photochrome Aktivkolloide für die Entwicklung neuer intelligenter Materialien

In der Natur weist die Haut von Kopffüßern (Tieren mit am Kopf befestigten Tentakeln) eine beispiellose Tarnfähigkeit auf. Ihre Haut enthält Pigmentgruppen, die Veränderungen im Umgebungslicht wahrnehmen können, und sie passen ihr Aussehen durch die Wirkung von Pigmentzellen an. Diese Fähigkeit zur Farbänderung ist zwar komplizierter Natur, basiert jedoch im Wesentlichen auf einem mechanischen Mechanismus, bei dem Pigmentpartikel unter der Kontrolle von Radialmuskeln gefaltet oder entfaltet werden.

Inspiriert von diesem natürlichen Prozess entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jinyao Tang vom Department of Chemistry der University of Hong Kong (HKU) ein neuartiges wellenlängenselektives intelligentes Kolloidsystem, um eine lichtgesteuerte mehrdimensionale Phasentrennung zu erreichen Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Hong Kong University of Science and Technology und der Xiamen University.

Das Team bildet dynamische photochrome Nanocluster durch Mischen von Cyan-, Magenta- und Gelb-Mikrokügelchen und erreicht so Photochromie auf Makroebene. Diese makroskopische Photochromie beruht auf einer lichtinduzierten vertikalen Phasenschichtung in der aktiven Mikrokügelchenmischung, was zu einer Anreicherung farbiger Mikrokügelchen entsprechend dem einfallenden Spektrum führt.

Im Gegensatz zu vorhandenen farbverändernden Materialien basiert dieser neue photochrome kolloidale Schwarm auf der Neuanordnung vorhandener Pigmente, anstatt in situ neue Chromophore zu erzeugen, und ist daher zuverlässiger und programmierbarer. Die Erkenntnisse des Teams stellen eine einfache Methode für Anwendungen wie elektronische Tinte, Displays und aktive optische Tarnung dar und stellen einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der aktiven Materie dar. Ihr Forschungsergebnis wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.

Selbstaktivierte aktive Partikel sind Mikro-/Nanopartikel, die das gerichtete Schwimmen von Mikroorganismen in Flüssigkeiten nachahmen. In jüngster Zeit haben sie in den Nanowissenschaften und der Nichtgleichgewichtsphysik große Aufmerksamkeit erregt und werden für potenzielle biomedizinische Anwendungen entwickelt. Eines der Hauptforschungsziele aktiver Partikel ist die Entwicklung medizinischer Mikro-/Nanoroboter auf Basis dieser Partikel für die Medikamentenabgabe und nicht-invasive Chirurgie.

Allerdings ist die Struktur aktiver Partikel sehr einfach und ihr Antriebsmechanismus und ihre Umgebungswahrnehmung sind erheblich eingeschränkt. Insbesondere die Größe und die relativ einfache Struktur der einzelnen mikro-/nanoaktiven Partikel schränken die Komplexität der Funktionsumsetzung in ihrem Körper ein. Die Herausforderung und der Schlüssel zur Realisierung der zukünftigen Anwendung besteht darin, aktive Partikel trotz ihrer einfachen Struktur mit intelligenten Eigenschaften herzustellen.

Lichtbetriebene Mikroschwimmer, eine Art selbstaktivierende aktive Partikel, wurden kürzlich mit dem Ziel entwickelt, einen steuerbaren Nanoroboter zu schaffen, der das Potenzial für biomedizinische Anwendungen und funktionale neuartige Materialien bietet, wie z. B. Schwimmeraktivität, Ausrichtungsrichtung und Wechselwirkung zwischen Partikeln leicht mit einfallendem Licht moduliert werden. Andererseits löst Licht bei Mikroschwimmern nicht nur lichtempfindliche Bewegungen aus, sondern verändert auch die effektive Wechselwirkung zwischen Partikeln. Beispielsweise können photokatalytische Reaktionen das lokale chemische Gradientenfeld verändern, was wiederum durch den Diffusionsschwimmeffekt die Bewegungsbahn benachbarter Partikel beeinflusst, was zu einer Anziehung oder Abstoßung über große Entfernungen führt.

In dieser Arbeit entwarf Tangs Team ein einfaches wellenlängenselektives aktives TiO2-Mikrokügelchensystem auf der Grundlage ihrer früheren Forschung zu lichtbetriebenen Mikroschwimmern. Bei der Photoanregung erzeugt die Redoxreaktion an TiO2-Partikeln einen chemischen Gradienten, der die effektive Partikel-Partikel-Wechselwirkung abstimmt. Das heißt, die Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung kann durch die Kombination einfallenden Lichts unterschiedlicher Wellenlänge und Intensität gesteuert werden.

Durch Auswahl von Farbstoffsensibilisierungscodes mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften können TiO2-Mikrokügelchen mit unterschiedlichen lichtempfindlichen Aktivitäten gebildet werden. Durch Mischen mehrerer ansonsten identischer TiO2-Mikrokügelchenarten, die mit Farbstoffen unterschiedlicher Absorptionsspektren beladen sind, und Anpassen der Spektren des einfallenden Lichts wird die bedarfsgerechte Partikelsegregation realisiert.

Der Zweck der Realisierung der Partikelphasentrennung besteht darin, die Partikelaggregation und -dispersion in der Flüssigkeit sowohl auf Mikro- als auch auf Makroebene zu steuern. Dies führte tatsächlich zu einer neuartigen, auf Licht reagierenden Tinte durch Mischen von Mikrokügelchen mit unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit, die möglicherweise auf elektronisches Papier aufgetragen wurde. Das Prinzip ähnelt den Pigmentclustern in der Haut von Kopffüßern, die die Lichtverhältnisse der Umgebung wahrnehmen und durch ihre entsprechenden Aktionen das Aussehen der umgebenden Pigmentzellen verändern können.

„Die Forschungsergebnisse haben erheblich dazu beigetragen, unser Wissen über Schwarmintelligenz in künstlichen aktiven Materialien zu erweitern und den Weg für die Entwicklung innovativer aktiver intelligenter Materialien zu ebnen. Mit diesem Durchbruch erwarten wir die Entwicklung programmierbarer photochromer Tinte, die in verschiedenen Anwendungen wie z als E-Ink, Display-Tinte und sogar aktive optische Tarntinte“, sagte Dr. Jinyao Tang.