Investigadores desarrollan coloides fotocromáticos activos para el desarrollo de nuevos materiales inteligentes

En la naturaleza, la piel de los cefalópodos (animales con tentáculos adheridos a la cabeza) presenta una capacidad de camuflaje sin igual. Su piel contiene grupos de pigmentos que pueden detectar cambios en las condiciones de luz ambiental y ajustan su apariencia a través de la acción de las células pigmentarias. Aunque de naturaleza intrincada, esta capacidad de cambiar de color se basa fundamentalmente en un mecanismo mecánico en el que las partículas de pigmento se pliegan o se despliegan bajo el control de los músculos radiales.

Inspirándose en este proceso natural, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Jinyao Tang del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU), desarrolló un novedoso sistema coloidal inteligente de longitud de onda selectiva para lograr la segregación de fase multidimensional controlada por luz en colaboración con científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y la Universidad de Xiamen.

El equipo forma nanoclusters fotocromáticos dinámicos mezclando microperlas cian, magenta y amarillas, logrando fotocromismo a escala macro. Este fotocromismo macroscópico se basa en la estratificación de fase vertical inducida por la luz en la mezcla de microesferas activas, lo que resulta en el enriquecimiento de microesferas coloreadas correspondientes al espectro incidente.

A diferencia de los materiales que cambian de color existentes, este nuevo enjambre coloidal fotocromático se basa en la reorganización de los pigmentos existentes en lugar de generar nuevos cromóforos in situ y, por lo tanto, es más confiable y programable. Los hallazgos del equipo proporcionan un método simple para aplicaciones como tinta electrónica, pantallas y camuflaje óptico activo, lo que representa un gran avance en el campo de la materia activa. El resultado de su investigación se ha publicado recientemente en la revista Naturaleza.

Las partículas activas autoactuadas son micro/nanopartículas que imitan la natación direccional de los microorganismos en un líquido. Recientemente, han atraído una atención significativa en la nanociencia y la física del no equilibrio y se están desarrollando para posibles aplicaciones biomédicas. Uno de los principales objetivos de investigación de las partículas activas es desarrollar micro/nanorobots médicos basados ​​en estas partículas para la administración de fármacos y la cirugía no invasiva.

Sin embargo, la estructura de las partículas activas es muy simple y su mecanismo de conducción y percepción del entorno son significativamente limitados. En particular, el tamaño y la estructura relativamente simple de las micro/nanopartículas activas individuales restringen la complejidad de implementar funciones en su cuerpo. El desafío y la clave para realizar la aplicación futura es cómo hacer partículas activas con características inteligentes a pesar de su estructura simple.

Los micronadadores alimentados por luz, un tipo de partículas activas autoactivadas, se han desarrollado recientemente con el propósito de crear un nanorobot controlable, que ofrece el potencial para aplicaciones biomédicas y materiales novedosos funcionales como la actividad del nadador, la dirección de alineación y la interacción entre partículas. modularse fácilmente con la luz incidente. Por otro lado, la luz no solo induce un movimiento fotosensible en los micronadadores, sino que también cambia la interacción efectiva entre las partículas. Por ejemplo, las reacciones fotocatalíticas pueden cambiar el campo de gradiente químico local, lo que a su vez afecta la trayectoria de movimiento de las partículas vecinas a través del efecto de natación por difusión, lo que resulta en una atracción o repulsión de largo alcance.

En este trabajo, el equipo de Tang diseñó un TiO selectivo de longitud de onda simple₂ sistema de microesferas activas basado en su investigación previa sobre micronadadores alimentados por luz. Tras la fotoexcitación, la reacción redox en TiO₂ partículas genera un gradiente químico, que sintoniza la interacción efectiva partícula-partícula. Es decir, la interacción partícula-partícula se puede controlar combinando luz incidente de diferentes longitudes de onda e intensidades.

TiO₂ Se pueden formar microesferas con diferentes actividades fotosensibles seleccionando códigos de sensibilización de tinte con diferentes características espectrales. Mezclando varios TiO por lo demás idénticos₂ especies de microesferas cargadas con colorantes de diferentes espectros de absorción y ajustando los espectros de luz incidente, se realiza la segregación de partículas bajo demanda.

El propósito de realizar la segregación de fases de partículas es controlar la agregación y dispersión de partículas en líquido a niveles micro y macro. Efectivamente, esto dio como resultado una nueva tinta fotosensible mezclando microesferas con diferentes fotosensibles que pueden aplicarse al papel electrónico. El principio es similar a los grupos de pigmentos en la piel de los cefalópodos que pueden detectar la condición de luz del ambiente y cambiar la apariencia de las células pigmentarias circundantes a través de sus acciones correspondientes.

«Los hallazgos de la investigación han contribuido significativamente a mejorar nuestro conocimiento de la inteligencia de enjambre en materiales activos artificiales y han allanado el camino para el diseño de materiales inteligentes activos innovadores. Con este avance, anticipamos el desarrollo de tinta fotocromática programable que podría utilizarse en diversas aplicaciones como como tinta electrónica, tinta para pantallas e incluso tinta de camuflaje óptico activo», dijo el Dr. Jinyao Tang.