W naturze skóra głowonogów (zwierząt z mackami przyczepionymi do głowy) wykazuje niezrównaną zdolność kamuflażu. Ich skóra zawiera grupy pigmentów, które mogą wyczuwać zmiany w warunkach oświetlenia otoczenia i dostosowywać swój wygląd poprzez działanie komórek pigmentowych. Chociaż z natury skomplikowana, ta zdolność zmiany koloru jest zasadniczo oparta na mechanizmie mechanicznym, w którym cząsteczki pigmentu są składane lub rozkładane pod kontrolą mięśni promieniowych.
Zainspirowany tym naturalnym procesem, zespół badawczy kierowany przez dr Jinyao TANG z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Hong Kongu (HKU) opracowuje nowy, selektywny pod względem długości fali, inteligentny system koloidów, aby osiągnąć kontrolowaną światłem wielowymiarową segregację faz we współpracy z naukowcami z Hong Kong University of Science and Technology i Xiamen University. Zespół tworzy dynamiczne nanoklastry fotochromowe, mieszając mikrokulki w kolorze cyjan, magenta i żółty, uzyskując fotochromizm w skali makro. Ten makroskopowy fotochromizm opiera się na indukowanym światłem rozwarstwieniu fazy pionowej w aktywnej mieszaninie mikrokulek, co powoduje wzbogacenie kolorowych mikrokulek odpowiadających widmu padającemu.
W przeciwieństwie do istniejących materiałów zmieniających kolor, ten nowy fotochromowy rój koloidalny polega na przestawianiu istniejących pigmentów, a nie na generowaniu nowych chromoforów in situ, dzięki czemu jest bardziej niezawodny i programowalny. Ich odkrycia dostarczają prostej metody do zastosowań, takich jak atrament elektroniczny, wyświetlacze i aktywny kamuflaż optyczny, co stanowi ważny przełom w dziedzinie materii aktywnej. Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature.
Samouruchamiające się cząsteczki aktywne to mikro/nanocząsteczki, które naśladują kierunkowe pływanie mikroorganizmów w cieczy. Ostatnio przyciągnęły one znaczną uwagę w nanonauce i fizyce nierównowagowej i są opracowywane pod kątem potencjalnych zastosowań biomedycznych. Jednym z głównych celów badawczych cząstek aktywnych jest opracowanie medycznych mikro/nanorobotów opartych na tych cząstkach do dostarczania leków i nieinwazyjnej chirurgii. Jednak struktura cząstek aktywnych jest bardzo prosta, a ich mechanizm napędowy i percepcja otoczenia są znacznie ograniczone. W szczególności wielkość i stosunkowo prosta budowa poszczególnych mikro/nanocząstek aktywnych ograniczają złożoność realizacji funkcji na ich ciele. Wyzwaniem i kluczem do realizacji przyszłego zastosowania jest wytwarzanie aktywnych cząstek o inteligentnych właściwościach pomimo ich prostej struktury.
Zasilane światłem mikropływaczki, rodzaj samouruchamiających się cząstek aktywnych, zostały niedawno opracowane w celu stworzenia sterowalnych nanorobotów, które oferują potencjał zastosowań biomedycznych i nowych funkcjonalnych materiałów, ponieważ aktywność pływaka, kierunek wyrównania i interakcje międzycząsteczkowe mogą być łatwo modulowane światłem padającym. Z drugiej strony światło nie tylko indukuje ruch światłoczuły u mikropływaków, ale także zmienia efektywną interakcję między cząsteczkami. Na przykład reakcje fotokatalityczne mogą zmienić lokalne pole gradientu chemicznego, co z kolei wpływa na trajektorię ruchu sąsiednich cząstek poprzez efekt pływania dyfuzyjnego, co skutkuje przyciąganiem lub odpychaniem na duże odległości.
W tej pracy zespół Tanga zaprojektował prosty, selektywny pod względem długości fali system aktywnych mikrokulek TiO2 w oparciu o wcześniejsze badania nad mikropływakami zasilanymi światłem. Po fotowzbudzeniu reakcja redoks na cząsteczkach TiO2 generuje gradient chemiczny, który dostraja efektywną interakcję cząstka-cząstka. Oznacza to, że interakcję cząstka-cząstka można kontrolować, łącząc padające światło o różnych długościach fal i natężeniach. Mikrokulki TiO2 o różnych aktywnościach światłoczułych można utworzyć, wybierając kody uczulenia barwnika o różnych charakterystykach widmowych. Poprzez zmieszanie kilku skądinąd identycznych rodzajów mikrokulek TiO2 obciążonych barwnikami o różnych widmach absorpcji i dostosowanie widm światła padającego, realizowana jest segregacja cząstek na żądanie.
Celem realizacji segregacji faz cząstek jest kontrolowanie agregacji i dyspersji cząstek w cieczy zarówno na poziomie mikro, jak i makro. Efektem było stworzenie nowatorskiego atramentu reagującego na światło poprzez zmieszanie mikrokulek o różnej światłoczułości, które można zastosować do papieru elektronicznego. Zasada jest podobna do klastrów pigmentu w skórze głowonogów, które mogą wyczuwać warunki świetlne otoczenia i zmieniać wygląd otaczających komórek pigmentowych poprzez odpowiednie działania.
„Wyniki badań znacząco przyczyniły się do poszerzenia naszej wiedzy na temat inteligencji roju w sztucznych materiałach aktywnych i utorowały drogę do projektowania innowacyjnych, inteligentnych materiałów aktywnych. Dzięki temu przełomowi spodziewamy się opracowania programowalnego atramentu fotochromowego, który mógłby być wykorzystywany w różnych zastosowaniach, takich jak e-atrament, atrament do wyświetlaczy, a nawet aktywny optyczny atrament kamuflażowy” – podsumowuje dr Jinyao Tang.