加州大學河濱分校殷亞東教授課題組Chem. Rev.綜述: 膠體自組裝制備智能納米結構材料

來源： 化學與材料科學

膠體自組裝是指納米/微米級、分散良好的膠體粒子組裝形成二級結構的過程。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稱性、取向、晶體結構、和維度。所以，組裝得到的膠體晶體對遠程的刺激和周圍環(huán)境的變化高度敏感。通過改變這些結構因素，可以對膠體晶體的物理化學性質進行精確的控制。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性材料和智能設備的方法。近期，加州大學河濱分校殷亞東教授課題組總結了膠體組裝智能納米結構材料的方法和進展，以“Colloidal Self-Assembly Approaches to Smart Nanostructured Materials”為題，發(fā)表綜述于《Chemical Reviews》。

一般意義上來講，智能納米結構材料是指一類在外界刺激下可以改變其理化性質（包括光學、機械、電學、磁學、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構材料的方法，發(fā)展，挑戰(zhàn)和機遇。具體來說，該綜述首先描繪了用于膠體自組裝的經典驅動力。從力學角度出發(fā)，文章概述了用于控制膠體晶體生長，晶體結構，對稱性和維度的方法。同時，該綜述討論了膠體粒子相互作用力對材料性能的影響。第三章介紹了智能膠體組裝體的工作機制和實用策略并且系統(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調整和精確控制膠體晶體對外界的響應成為可能。隨后，該綜述總結了智能膠體晶體在顯示器、多色打印、傳感、防偽、軟體機器人、納米醫(yī)學和能源方面的應用。最后，作者總結了智能膠體晶體現有的挑戰(zhàn)，并展望了其進一步的發(fā)展。

圖1. 膠體自組裝制備智能納米結構材料。

圖片來源：Chemical Reviews

I 膠體顆粒的自組裝
膠體組裝的驅動力決定了納米粒子的組裝方式和最終的晶體結構。而且，膠體晶體對外界刺激的響應和其相應的性能變化也取決于組裝的驅動力。所以，了解膠體組裝的驅動力是制備和操控智能膠體晶體的關鍵。在綜述的第三章，該團隊總結了不同的驅動膠體組裝的作用力并詳細介紹了其組裝行為和最終的晶體結構。膠體組裝的經典驅動力包括磁力，范德華力，靜電作用力，氫鍵，分子偶極作用力，DNA堿基對相互作用，耗散力，重力，和毛細作用力等。

圖2. Fe3O4納米棒子在磁場中組裝成體心四方晶體。

圖片來源：Science Advances.

圖3. 膠體納米粒子的模板組裝。

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

II 智能膠體超結構的組裝策略
第四章總結了智能膠體的工作原理和經典制備方法。共分為三個小節(jié)：改變環(huán)境物理化學性質，改變膠體晶體的周期；和改變膠體晶體的取向。雖然實現方法不同，但是制備得到的膠體晶體的物理化學性質都會隨著局部環(huán)境變化（比如溫度、pH、 離子強度、溶質、濕度、溶劑等）或者受到遠程刺激（電場、磁場、機械力、 重力、光等）而改變。事實上，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。這種結構特點使得膠體晶體的光學性質會隨著周圍環(huán)境的介電常數的變化而變化。第二種策略需要精確調控膠體在晶體中的距離來實現智能響應。第三種策略通過控制膠體晶體的取向來制備各向異性的材料并通過外界刺激動態(tài)調節(jié)晶體光學，電學性質和機械性能。

圖4. 磁性調節(jié)的一維光子晶體。

圖片來源：Nano Letters.

圖5.濕度響應的變色等離基元材料。

圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

III 智能膠體超結構的應用
綜述第五章系統(tǒng)概述了智能膠體晶體的應用。主要包括色彩顯示、多色打印、傳感、防偽、軟體機器人、納米醫(yī)學和能源等。

圖6. 電場響應的光子晶體用于多色打印。

圖片來源：Adv. Funct. Mater.

圖7. 磁性組裝制備軟體機器人。

圖片來源：Nature.