Fotocromismo dalla lunghezza d'onda

Natura volume 617, pagine 499–506 (2023) Citare questo articolo

18k accessi

3 citazioni

129 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La segregazione di fase è osservata ovunque nelle miscele immiscibili, come olio e acqua, in cui l'entropia di miscelazione è superata dall'entalpia di segregazione1,2,3. Nei sistemi colloidali monodispersi, tuttavia, le interazioni colloidale-colloidali sono solitamente non specifiche e a corto raggio, il che porta a un’entalpia di segregazione trascurabile4. Le particelle colloidali fotoattive recentemente sviluppate mostrano interazioni foretiche a lungo raggio, che possono essere facilmente sintonizzate con la luce incidente, suggerendo un modello ideale per studiare il comportamento di fase e la cinetica di evoluzione della struttura5,6. In questo lavoro, progettiamo un semplice sistema colloidale attivo selettivo spettrale, in cui le specie colloidali di TiO2 sono state codificate con coloranti distintivi spettrali per formare uno sciame colloidale fotocromatico. In questo sistema, le interazioni particella-particella possono essere programmate combinando la luce incidente con varie lunghezze d'onda e intensità per consentire la gelificazione e la segregazione colloidale controllabili. Inoltre, miscelando i colloidi ciano, magenta e giallo, viene formulato uno sciame colloidale fotocromatico dinamico. All'illuminazione di luce colorata, lo sciame colloidale adatta l'aspetto della luce incidente grazie alla segregazione di fase stratificata, presentando un approccio facile verso la carta elettronica colorata e il camuffamento ottico autoalimentato.

Le proprietà macroscopiche dei materiali sono fondamentalmente determinate dalle interazioni tra le loro unità di composizione di base. Ad esempio, in una miscela di molecole con interazioni simili, l'entropia di miscelazione domina e porta a una soluzione ben miscelata, mentre un'interazione intermolecolare distinta porta alla penalità entalpica e provoca la segregazione di fase1,2,3,7. La soluzione colloidale è un eccellente sistema modello per studiare la transizione di fase e l'autoassemblaggio su scala atomica, in cui le particelle colloidali sono considerate giganteschi atomi artificiali8,9. I percorsi classici per la segregazione di fase nelle miscele colloidali sono stati dimostrati modificando le variabili termodinamiche come la temperatura e/o le interazioni dei solventi10,11,12,13.

D'altra parte, la materia attiva offre un nuovo approccio per realizzare comportamenti di fase complessi oltre l'equilibrio termodinamico4,14. La segregazione dei colloidi attivi è stata proposta come separazione di fase indotta dalla motilità15,16, in cui le particelle disperse di autopropulsione si condensano a causa della mobilità delle particelle e dell'interazione repulsiva. Teoricamente, la miscela colloidale attiva può autosepararsi in fase grazie alla diffusività16, alla temperatura17 e all'attività18,19 distintive.

Più recentemente, i micronuotatori alimentati dalla luce20,21,22 sono stati sviluppati rispetto a un nanorobot controllabile, che offre potenziale per applicazioni biomediche e nuovi materiali funzionali23,24 poiché l'attività del nuotatore, la direzione dell'allineamento e l'interazione interparticellare possono essere facilmente modulati con l'incidente leggero. Grazie alla sua flessibilità, il sistema colloidale attivo alimentato dalla luce è stato recentemente applicato alla ricerca sulla materia attiva5,6, in cui le interazioni delle particelle possono essere attivate e disattivate ripetutamente. D'altra parte, una caratteristica unica dei colloidi attivi alimentati dalla luce è che le particelle possono essere progettate per rispondere a diverse lunghezze d'onda e stati di polarizzazione della luce25,26, consentendo l'eccitazione selettiva di una specie colloidale all'interno di una soluzione di miscela colloidale. Qui presentiamo un semplice sistema colloidale attivo selettivo dello spettro composto da particelle colloidali di TiO2 fotosensibili sospese in una soluzione navetta redox. Durante la fotoeccitazione, la reazione redox sulle particelle di TiO2 genera un gradiente chimico, che regola l'effettiva interazione particella-particella. Miscelando diverse specie colloidali di TiO2 altrimenti identiche caricate con coloranti di diversi spettri di assorbimento e regolando gli spettri della luce incidente, si realizza la segregazione della fase colloidale su richiesta.