파장에 따른 광변색성

Nature 617권, 499~506페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

상 분리는 혼합 엔트로피가 분리 엔탈피1,2,3에 의해 극복되는 기름과 물과 같은 비혼화성 혼합물에서 어디서나 관찰됩니다. 그러나 단분산 콜로이드 시스템에서 콜로이드-콜로이드 상호작용은 일반적으로 비특이적이고 단거리이므로 분리 엔탈피는 무시할 수 있습니다4. 최근 개발된 광활성 콜로이드 입자는 입사광으로 쉽게 조정될 수 있는 장거리 영동 상호작용을 보여 주므로 위상 거동 및 구조 진화 동역학을 연구하기 위한 이상적인 모델을 제안합니다5,6. 이 연구에서 우리는 TiO2 콜로이드 종을 스펙트럼 특유의 염료로 코딩하여 광변색성 콜로이드 떼를 형성하는 간단한 스펙트럼 선택적 활성 콜로이드 시스템을 설계했습니다. 이 시스템에서는 입사광을 다양한 파장 및 강도와 결합하여 제어 가능한 콜로이드 겔화 및 분리를 가능하게 함으로써 입자-입자 상호 작용을 프로그래밍할 수 있습니다. 또한 청록색, 자홍색 및 노란색 콜로이드를 혼합하여 동적 광변색 콜로이드 떼가 형성됩니다. 유색 빛을 조명할 때 콜로이드 떼는 층상 분리로 인해 입사광의 모양을 조정하여 유색 전자 종이 및 자체 구동 광학 위장에 대한 손쉬운 접근 방식을 제시합니다.

재료의 거시적 특성은 기본적으로 기본 구성 단위 간의 상호 작용에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 유사한 상호 작용을 갖는 분자의 혼합물에서는 혼합 엔트로피가 우세하여 잘 혼합된 용액을 생성하는 반면, 뚜렷한 분자간 상호 작용은 엔탈피 패널티를 초래하고 상 분리를 유발합니다1,2,3,7. 콜로이드 용액은 콜로이드 입자가 거대한 인공 원자로 간주되는 원자 규모에서 상전이 및 자기 조립을 연구하기 위한 탁월한 모델 시스템입니다. 콜로이드 혼합물의 상 분리에 대한 고전적인 경로는 온도 및/또는 용매 상호 작용과 같은 열역학적 변수를 변경하여 입증되었습니다.

반면, 활성 물질은 열역학적 평형을 넘어 복잡한 위상 거동을 실현하기 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다. 활성 콜로이드의 분리는 입자의 이동성과 반발 상호 작용으로 인해 분산된 자체 추진 입자가 응축되는 운동성 유도 상 분리로 제안되었습니다. 이론적으로 활성 콜로이드 혼합물은 독특한 확산성, 온도 및 활성으로 인해 자체 상 분리가 가능합니다.

가장 최근에는 제어 가능한 나노 로봇과 관련하여 광 구동 마이크로 스위머가 개발되었으며, 이는 수영 활동, 정렬 방향 및 입자 간 상호 작용이 사건에 따라 쉽게 조절될 수 있기 때문에 생의학 응용 및 기능적 신소재 가능성을 제공합니다. 빛. 유연성으로 인해 광 구동 활성 콜로이드 시스템은 최근 입자 상호 작용을 반복적으로 켜고 끌 수 있는 활성 물질 연구5,6에 적용되었습니다. 반면, 광 구동 활성 콜로이드의 독특한 특징 중 하나는 입자가 빛의 다양한 파장과 편광 상태에 반응하도록 설계할 수 있어 콜로이드 혼합 용액 내에서 하나의 콜로이드 종을 선택적으로 여기할 수 있다는 것입니다. 여기에서는 산화환원 셔틀 용액에 부유된 감광성 TiO2 콜로이드 입자로 구성된 간단한 스펙트럼 선택 활성 콜로이드 시스템을 제시합니다. 광여기에서 TiO2 입자의 산화환원 반응은 효과적인 입자-입자 상호작용을 조정하는 화학적 구배를 생성합니다. 서로 다른 흡수 스펙트럼의 염료가 포함된 여러 개의 동일한 TiO2 콜로이드 종을 혼합하고 입사광 스펙트럼을 조정함으로써 주문형 콜로이드 상 분리가 실현됩니다.