Photochromisme à partir de la longueur d'onde

Nature volume 617, pages 499-506 (2023)Citer cet article

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La ségrégation de phases est omniprésente dans les mélanges non miscibles, tels que l'huile et l'eau, dans lesquels l'entropie du mélange est surmontée par l'enthalpie de ségrégation1,2,3. Cependant, dans les systèmes colloïdaux monodispersés, les interactions colloïdales-colloïdales sont généralement non spécifiques et de courte portée, ce qui conduit à une enthalpie de ségrégation négligeable4. Les particules colloïdales photoactives récemment développées présentent des interactions phorétiques à longue portée, qui peuvent être facilement ajustées avec la lumière incidente, suggérant un modèle idéal pour étudier le comportement des phases et la cinétique de l'évolution de la structure5,6. Dans ce travail, nous concevons un système colloïdal actif sélectif spectral simple, dans lequel les espèces colloïdales TiO2 ont été codées avec des colorants spectraux distinctifs pour former un essaim colloïdal photochromique. Dans ce système, les interactions particule-particule peuvent être programmées en combinant la lumière incidente avec différentes longueurs d'onde et intensités pour permettre une gélification et une ségrégation colloïdales contrôlables. De plus, en mélangeant les colloïdes cyan, magenta et jaune, un essaim colloïdal photochromique dynamique est formulé. Lors de l'éclairage d'une lumière colorée, l'essaim colloïdal adapte l'apparence de la lumière incidente en raison de la ségrégation de phases en couches, présentant une approche facile vers le papier électronique coloré et le camouflage optique auto-alimenté.

Les propriétés macroscopiques des matériaux sont fondamentalement déterminées par les interactions entre leurs unités de composition de base. Par exemple, dans un mélange de molécules ayant des interactions similaires, l’entropie du mélange domine et conduit à une solution bien mélangée, alors qu’une interaction intermoléculaire distincte entraîne une pénalité enthalpique et provoque une ségrégation de phases1,2,3,7. La solution colloïdale est un excellent système modèle pour étudier la transition de phase et l’auto-assemblage à l’échelle atomique, dans lequel les particules colloïdales sont considérées comme de gigantesques atomes artificiels8,9. Les voies classiques vers la ségrégation des phases dans les mélanges colloïdaux ont été démontrées en modifiant les variables thermodynamiques telles que la température et/ou les interactions des solvants10,11,12,13.

D’autre part, la matière active offre une nouvelle approche pour réaliser des comportements de phases complexes au-delà de l’équilibre thermodynamique4,14. La ségrégation des colloïdes actifs a été proposée comme une séparation de phases induite par la motilité, dans laquelle les particules d'autopropulsion dispersées se condensent en raison de la mobilité et de l'interaction répulsive des particules. Théoriquement, le mélange colloïdal actif peut se séparer automatiquement en raison de sa diffusivité, de sa température et de son activité distinctes.

Plus récemment, les micronageurs alimentés par la lumière20,21,22 ont été développés en relation avec un nanorobot contrôlable, qui offre un potentiel d'application biomédicale et de nouveaux matériaux fonctionnels23,24, car l'activité du nageur, la direction d'alignement et l'interaction interparticulaire peuvent être facilement modulées en fonction de l'incident. lumière. En raison de sa flexibilité, le système colloïdal actif alimenté par la lumière a récemment été appliqué à la recherche sur la matière active5,6, dans laquelle les interactions entre particules peuvent être activées et désactivées à plusieurs reprises. D’autre part, une caractéristique unique des colloïdes actifs alimentés par la lumière est que les particules peuvent être conçues pour répondre à différentes longueurs d’onde et états de polarisation de la lumière25,26, permettant ainsi l’excitation sélective d’une espèce colloïdale dans une solution de mélange colloïdal. Nous présentons ici un système colloïdal actif spectre-sélectif simple composé de particules colloïdales photosensibles de TiO2 en suspension dans une solution navette redox. Lors de la photoexcitation, la réaction redox sur les particules de TiO2 génère un gradient chimique, qui ajuste l'interaction efficace particule-particule. En mélangeant plusieurs espèces colloïdales de TiO2 par ailleurs identiques chargées de colorants de spectres d'absorption différents et en ajustant les spectres de lumière incidente, la ségrégation de phase colloïdale à la demande est réalisée.