加州大学河滨分校综述：胶体自组装制备智能纳米结构材料

颗粒在线讯：胶体自组装是指纳米/微米级、分散良好的胶体粒子组装形成二级结构的过程。这种材料的性能不仅受纳米粒子特性的影响，还取决于形成胶体晶体的的对称性、取向、晶体结构、和维度。所以，组装得到的胶体晶体对远程的刺激和周围环境的变化高度敏感。通过改变这些结构因素，可以对胶体晶体的物理化学性质进行精确的控制。这种特性使得胶体晶体的组装成为了一种有效的制备刺激响应性材料和智能设备的方法。近期，加州大学河滨分校殷亚东教授课题组总结了胶体组装智能纳米结构材料的方法和进展，以“Colloidal Self-Assembly Approaches to Smart Nanostructured Materials”为题，发表综述于《Chemical Reviews》。

一般意义上来讲，智能纳米结构材料是指一类在外界刺激下可以改变其理化性质（包括光学、机械、电学、磁学、催化性能等）的纳米材料。常用的外界刺激包括局部环境变化和远程刺激。该综述从胶体晶体组装的角度出发，阐述了制备智能纳米结构材料的方法，发展，挑战和机遇。具体来说，该综述首先描绘了用于胶体自组装的经典驱动力。从力学角度出发，文章概述了用于控制胶体晶体生长，晶体结构，对称性和维度的方法。同时，该综述讨论了胶体粒子相互作用力对材料性能的影响。第三章介绍了智能胶体组装体的工作机制和实用策略并且系统地引入了用于控制胶体粒子间距和连接的概念和方法。这些成熟的策略使得主动调整和精确控制胶体晶体对外界的响应成为可能。随后，该综述总结了智能胶体晶体在显示器、多色打印、传感、防伪、软体机器人、纳米医学和能源方面的应用。最后，作者总结了智能胶体晶体现有的挑战，并展望了其进一步的发展。

图1. 胶体自组装制备智能纳米结构材料。

图片来源：Chemical Reviews

I 胶体颗粒的自组装

胶体组装的驱动力决定了纳米粒子的组装方式和最终的晶体结构。而且，胶体晶体对外界刺激的响应和其相应的性能变化也取决于组装的驱动力。所以，了解胶体组装的驱动力是制备和操控智能胶体晶体的关键。在综述的第三章，该团队总结了不同的驱动胶体组装的作用力并详细介绍了其组装行为和最终的晶体结构。胶体组装的经典驱动力包括磁力，范德华力，静电作用力，氢键，分子偶极作用力，DNA碱基对相互作用，耗散力，重力，和毛细作用力等。

图2. Fe3O4纳米棒子在磁场中组装成体心四方晶体。

图片来源：Science Advances.

图3. 胶体纳米粒子的模板组装。

图片来源：（a-b）JACS; (c-d) Science; (e-f) Matter.

II 智能胶体超结构的组装策略

第四章总结了智能胶体的工作原理和经典制备方法。共分为三个小节：改变环境物理化学性质，改变胶体晶体的周期；和改变胶体晶体的取向。虽然实现方法不同，但是制备得到的胶体晶体的物理化学性质都会随着局部环境变化（比如温度、pH、 离子强度、溶质、湿度、溶剂等）或者受到远程刺激（电场、磁场、机械力、 重力、光等）而改变。事实上，由于胶体具有特定的形貌，即使具有紧密堆积的胶体晶体也具有大量的可用的空间。这种结构特点使得胶体晶体的光学性质会随着周围环境的介电常数的变化而变化。第二种策略需要精确调控胶体在晶体中的距离来实现智能响应。第三种策略通过控制胶体晶体的取向来制备各向异性的材料并通过外界刺激动态调节晶体光学，电学性质和机械性能。

图4. 磁性调节的一维光子晶体。

图片来源：Nano Letters.

图5.湿度响应的变色等离基元材料。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

III 智能胶体超结构的应用

综述第五章系统概述了智能胶体晶体的应用。主要包括色彩显示、多色打印、传感、防伪、软体机器人、纳米医学和能源等。

图6. 电场响应的光子晶体用于多色打印。

图片来源：Adv. Funct. Mater.

图7. 磁性组装制备软体机器人。

图片来源：Nature.