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光驱动趋光性聚合物胶体粒子

( 2016-04-28 )
光驱动趋光性聚合物胶体粒子
2016年04月21日 By

说到趋光性,大家都不陌生,很多活的微生物、动植物都有趋光现象,比如夏夜飞扑灯下的蛾子,水里游动的绿藻、鞭毛藻等。虽然生物趋光性的机制还不完全清楚,但是趋光性对生物可能有两个好处,一是利用光导航,二是提高获取光能的效率,特别是那些具有光合作用的藻类。很显然,趋光跟光驱动是不同的两回事,前者是一种能定位光源方向并趋向光源的运动,而后者仅仅意味着利用光能驱动。从仿生学角度看,那些具有趋光性同时具有光合作用的微生物,简直就是可以利用光源导航、同时利用光源自动获取动能的微粒机器人。人类如果能制备出这种微粒机器人,那么会有很多用处,比如可在人体内使用的载药机器人,可以自动向光源标定的靶区运动、富集。

合成物质是死的,让合成物质微粒在流体中自行运动,其实并不容易,这跟微粒在流体中非常小的雷诺数有关。雷诺数指的是流体惯性力与黏性力的比值,非常小的雷诺数意味着惯性力已经不起作用,在小雷诺数流体环境中,微粒并不能像蝴蝶那样扇动翅膀推动自己前进,而只能像火箭那样靠抛射物质推进。好在流体力学方面的科学家们发现,微粒还可以利用自己表面形成的某种界面梯度场(如静电场梯度、浓度梯度、温度梯度等)推进。但是,即使微粒被驱动了,获得了高于无规热运动的动能,驾驭这些粒子实现定向运动也是非常困难的,这是因为受流体分子布朗运动影响,微粒的运动一般都是无规运动。因此制备光驱动的趋光性粒子,让它通过光能获取动能、并实现趋向光源的定向运动,是非常具有挑战性的工作。以前并没有真正的趋光性合成粒子被制备出来,有些科学家将合成物质微粒固定到活的趋光性微生物上,制成半合成的趋光性微粒。氯化银粒子在光照下会发生光分解等化学反应,在粒子表面形成浓度梯度,从而推动粒子快速旋转、以及带有偏向性的无规运动,最终在光场中实现不均匀富集,但是氯化银粒子并不能识别光源方向。

近期,中国科学技术大学化学与材料科学学院刘和文课题组制备了一种带有光致电离螺吡喃末端基团的超支化分子,然后将这种超支化分子分散在水中形成微米尺度的胶体粒子,这种胶体粒子具有真正的趋光性。在经10-40倍放大镜聚焦的紫外光场中(紫外能量密度约为190 mW/cm2),这些胶体粒子会源源不断地从光场外游进光场,并向光斑中心富集,接近光斑中心后还会进行朝向光源的、垂直方向的运动,这说明这些粒子可以识别光源方向和梯度,具有真正的趋光性。另外这种粒子的运动具有紫外光响应性,关闭紫外光源,运动立即停止,因而是光驱动的趋光性运动。试验中观察到这种粒子的自推进速度高达20微米/秒,添加少量食盐,运动速度会加快到约50微米/秒。当微粒处在紫外光场中时,迎光的一面与其背面光照强度不同,因而螺吡喃基团发生光反应的程度不一样,导致粒子表面出现表面张力梯度,从而推动粒子前进,另外这种表面张力梯度是严格顺着光源梯度的,它会产生力矩保证趋向光源运动的方向性。

自然界中极多数目的个体,如鸟、鱼、牛等,群集组成所谓“活物质”,这种“活物质”中每个个体虽然各自独立运动,但集群的整体运动有序,快速运动的个体之间并不会失控发生碰撞,“活物质”的聚集运动甚至会发生相变,出现规则图案等。揭示自然界中“活物质”群集运动的秘密,是软物质科学研究的一个热点领域,而趋光性自推进粒子可能是研究“活物质”聚集行为的极佳模型。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201505378)上,第一作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院博士研究生李伟。

 

原文网站链接:http://www.materialsviewschina.com/2016/04/driving-phototaxis-colloidal-particles-of-light/


 
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