加州大學(xué)河濱分校殷亞?wèn)|教授課題組Chem. Rev.綜述: 膠體自組裝制備智能納米結(jié)構(gòu)材料

來(lái)源： 化學(xué)與材料科學(xué)

膠體自組裝是指納米/微米級(jí),、分散良好的膠體粒子組裝形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這種材料的性能不僅受納米粒子特性的影響,，還取決于形成膠體晶體的的對(duì)稱性,、取向、晶體結(jié)構(gòu),、和維度,。所以，組裝得到的膠體晶體對(duì)遠(yuǎn)程的刺激和周圍環(huán)境的變化高度敏感,。通過(guò)改變這些結(jié)構(gòu)因素,，可以對(duì)膠體晶體的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行精確的控制。這種特性使得膠體晶體的組裝成為了一種有效的制備刺激響應(yīng)性材料和智能設(shè)備的方法,。近期,，加州大學(xué)河濱分校殷亞?wèn)|教授課題組總結(jié)了膠體組裝智能納米結(jié)構(gòu)材料的方法和進(jìn)展，以“Colloidal Self-Assembly Approaches to Smart Nanostructured Materials”為題,，發(fā)表綜述于《Chemical Reviews》,。

一般意義上來(lái)講，智能納米結(jié)構(gòu)材料是指一類在外界刺激下可以改變其理化性質(zhì)（包括光學(xué),、機(jī)械,、電學(xué)、磁學(xué),、催化性能等）的納米材料,。常用的外界刺激包括局部環(huán)境變化和遠(yuǎn)程刺激。該綜述從膠體晶體組裝的角度出發(fā),，闡述了制備智能納米結(jié)構(gòu)材料的方法,，發(fā)展，挑戰(zhàn)和機(jī)遇。具體來(lái)說(shuō),，該綜述首先描繪了用于膠體自組裝的經(jīng)典驅(qū)動(dòng)力,。從力學(xué)角度出發(fā)，文章概述了用于控制膠體晶體生長(zhǎng),，晶體結(jié)構(gòu),，對(duì)稱性和維度的方法。同時(shí),，該綜述討論了膠體粒子相互作用力對(duì)材料性能的影響,。第三章介紹了智能膠體組裝體的工作機(jī)制和實(shí)用策略并且系統(tǒng)地引入了用于控制膠體粒子間距和連接的概念和方法。這些成熟的策略使得主動(dòng)調(diào)整和精確控制膠體晶體對(duì)外界的響應(yīng)成為可能,。隨后,，該綜述總結(jié)了智能膠體晶體在顯示器、多色打印,、傳感,、防偽,、軟體機(jī)器人,、納米醫(yī)學(xué)和能源方面的應(yīng)用。最后,，作者總結(jié)了智能膠體晶體現(xiàn)有的挑戰(zhàn),，并展望了其進(jìn)一步的發(fā)展。

圖1. 膠體自組裝制備智能納米結(jié)構(gòu)材料,。

圖片來(lái)源：Chemical Reviews

I 膠體顆粒的自組裝
膠體組裝的驅(qū)動(dòng)力決定了納米粒子的組裝方式和最終的晶體結(jié)構(gòu),。而且，膠體晶體對(duì)外界刺激的響應(yīng)和其相應(yīng)的性能變化也取決于組裝的驅(qū)動(dòng)力,。所以,，了解膠體組裝的驅(qū)動(dòng)力是制備和操控智能膠體晶體的關(guān)鍵。在綜述的第三章,，該團(tuán)隊(duì)總結(jié)了不同的驅(qū)動(dòng)膠體組裝的作用力并詳細(xì)介紹了其組裝行為和最終的晶體結(jié)構(gòu),。膠體組裝的經(jīng)典驅(qū)動(dòng)力包括磁力，范德華力,，靜電作用力,，氫鍵，分子偶極作用力,，DNA堿基對(duì)相互作用,，耗散力，重力,，和毛細(xì)作用力等,。

圖2. Fe3O4納米棒子在磁場(chǎng)中組裝成體心四方晶體。

圖片來(lái)源：Science Advances.

圖3. 膠體納米粒子的模板組裝。

圖片來(lái)源：（a-b）JACS; (c-d) Science; (e-f) Matter.

II 智能膠體超結(jié)構(gòu)的組裝策略
第四章總結(jié)了智能膠體的工作原理和經(jīng)典制備方法,。共分為三個(gè)小節(jié)：改變環(huán)境物理化學(xué)性質(zhì),，改變膠體晶體的周期；和改變膠體晶體的取向,。雖然實(shí)現(xiàn)方法不同,，但是制備得到的膠體晶體的物理化學(xué)性質(zhì)都會(huì)隨著局部環(huán)境變化（比如溫度、pH,、 離子強(qiáng)度,、溶質(zhì)、濕度,、溶劑等）或者受到遠(yuǎn)程刺激（電場(chǎng),、磁場(chǎng)、機(jī)械力,、 重力,、光等）而改變。事實(shí)上,，由于膠體具有特定的形貌,，即使具有緊密堆積的膠體晶體也具有大量的可用的空間。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得膠體晶體的光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著周圍環(huán)境的介電常數(shù)的變化而變化,。第二種策略需要精確調(diào)控膠體在晶體中的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng),。第三種策略通過(guò)控制膠體晶體的取向來(lái)制備各向異性的材料并通過(guò)外界刺激動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)晶體光學(xué)，電學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能,。

圖4. 磁性調(diào)節(jié)的一維光子晶體,。

圖片來(lái)源：Nano Letters.

圖5.濕度響應(yīng)的變色等離基元材料。

圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.

III 智能膠體超結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
綜述第五章系統(tǒng)概述了智能膠體晶體的應(yīng)用,。主要包括色彩顯示,、多色打印、傳感,、防偽,、軟體機(jī)器人、納米醫(yī)學(xué)和能源等,。

圖6. 電場(chǎng)響應(yīng)的光子晶體用于多色打印,。

圖片來(lái)源：Adv. Funct. Mater.

圖7. 磁性組裝制備軟體機(jī)器人。

圖片來(lái)源：Nature.