In der Natur weist die Haut von Kopffüßern (Tieren mit am Kopf befestigten Tentakeln) eine beispiellose Tarnfähigkeit auf. Ihre Haut enthält Pigmentgruppen, die Veränderungen der Umgebungslichtbedingungen wahrnehmen und durch die Wirkung von Pigmentzellen ihr Aussehen anpassen können. Diese Fähigkeit zur Farbveränderung ist zwar komplizierter Natur, basiert jedoch im Wesentlichen auf einem mechanischen Mechanismus, bei dem Pigmentpartikel unter der Kontrolle von Radialmuskeln gefaltet oder entfaltet werden.
Inspiriert von diesem natürlichen Prozess entwickelt ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jinyao TANG vom Department of Chemistry der University of Hong Kong (HKU) ein neuartiges wellenlängenselektives intelligentes Kolloidsystem, um gemeinsam eine lichtgesteuerte mehrdimensionale Phasentrennung zu erreichen mit Wissenschaftlern der Hong Kong University of Science and Technology und der Xiamen University. Das Team bildet dynamische photochrome Nanocluster durch Mischen von Cyan-, Magenta- und Gelb-Mikrokügelchen und erreicht so Photochromie auf Makroebene. Diese makroskopische Photochromie beruht auf einer lichtinduzierten vertikalen Phasenschichtung in der aktiven Mikrokügelchenmischung, was zu einer Anreicherung farbiger Mikrokügelchen entsprechend dem einfallenden Spektrum führt.
Im Gegensatz zu bestehenden farbverändernden Materialien beruht dieser neue photochrome kolloidale Schwarm auf der Neuanordnung vorhandener Pigmente, anstatt neue Chromophore zu erzeugen vor Ort und ist daher zuverlässiger und programmierbarer. Ihre Erkenntnisse stellen eine einfache Methode für Anwendungen wie elektronische Tinte, Displays und aktive optische Tarnung dar und stellen einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der aktiven Materie dar. Das Forschungsergebnis wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.
Selbstaktivierte aktive Partikel sind Mikro-/Nanopartikel, die das gerichtete Schwimmen von Mikroorganismen in Flüssigkeiten nachahmen. In jüngster Zeit haben sie in den Nanowissenschaften und der Nichtgleichgewichtsphysik große Aufmerksamkeit erregt und werden für potenzielle biomedizinische Anwendungen weiterentwickelt. Eines der Hauptforschungsziele aktiver Partikel ist die Entwicklung medizinischer Mikro-/Nanoroboter auf Basis dieser Partikel für die Medikamentenabgabe und nicht-invasive Chirurgie. Allerdings ist die Struktur aktiver Partikel sehr einfach und ihr Antriebsmechanismus und ihre Umgebungswahrnehmung sind erheblich eingeschränkt. Insbesondere die Größe und die relativ einfache Struktur der einzelnen mikro-/nanoaktiven Partikel schränken die Komplexität der Funktionsumsetzung in ihrem Körper ein. Die Herausforderung und der Schlüssel zur Realisierung der zukünftigen Anwendung besteht darin, aktive Partikel trotz ihrer einfachen Struktur mit intelligenten Eigenschaften herzustellen.
Lichtbetriebene Mikroschwimmer, eine Art selbstaktivierende aktive Partikel, wurden kürzlich mit dem Ziel entwickelt, steuerbare Nanoroboter zu schaffen, die Potenzial für biomedizinische Anwendungen und funktionale neuartige Materialien bieten, da die Schwimmaktivität, die Ausrichtungsrichtung und die Wechselwirkung zwischen den Partikeln leicht einstellbar sind moduliert mit einfallendem Licht. Andererseits löst Licht bei Mikroschwimmern nicht nur lichtempfindliche Bewegungen aus, sondern verändert auch die effektive Wechselwirkung zwischen Partikeln. Beispielsweise können photokatalytische Reaktionen das lokale chemische Gradientenfeld verändern, was wiederum die Bewegungsbahn benachbarter Partikel durch den Diffusionsschwimmeffekt beeinflusst, was zu einer Anziehung oder Abstoßung über große Entfernungen führt.
In dieser Arbeit entwarf Tangs Team ein einfaches wellenlängenselektives aktives TiO2-Mikrokügelchensystem auf der Grundlage ihrer früheren Forschung zu lichtbetriebenen Mikroschwimmern. Bei der Photoanregung erzeugt die Redoxreaktion an TiO2-Partikeln einen chemischen Gradienten, der die effektive Partikel-Partikel-Wechselwirkung abstimmt. Das heißt, die Partikel-Partikel-Wechselwirkung kann durch die Kombination von einfallendem Licht unterschiedlicher Wellenlänge und Intensität gesteuert werden. Durch Auswahl von Farbstoffsensibilisierungscodes mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften können TiO2-Mikrokügelchen mit unterschiedlichen lichtempfindlichen Aktivitäten gebildet werden. Durch Mischen mehrerer ansonsten identischer TiO2-Mikrokügelchenarten, die mit Farbstoffen unterschiedlicher Absorptionsspektren beladen sind, und Anpassen der Spektren des einfallenden Lichts wird die bedarfsgerechte Partikelsegregation realisiert.
Der Zweck der Realisierung der Partikelphasentrennung besteht darin, die Partikelaggregation und -dispersion in der Flüssigkeit sowohl auf Mikro- als auch auf Makroebene zu steuern. Dies führte tatsächlich zu einer neuartigen, auf Licht reagierenden Tinte durch Mischen von Mikrokügelchen mit unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit, die möglicherweise auf elektronisches Papier aufgetragen wurde. Das Prinzip ähnelt den Pigmentclustern in der Haut von Kopffüßern, die die Lichtverhältnisse der Umgebung wahrnehmen und durch ihre entsprechenden Aktionen das Aussehen der umgebenden Pigmentzellen verändern können.
„Die Forschungsergebnisse haben wesentlich dazu beigetragen, unser Wissen über Schwarmintelligenz in künstlichen aktiven Materialien zu erweitern und den Weg für die Entwicklung innovativer aktiver intelligenter Materialien zu ebnen.“ „Mit diesem Durchbruch erwarten wir die Entwicklung programmierbarer photochromer Tinte, die in verschiedenen Anwendungen wie E-Ink, Display-Tinte und sogar aktiver optischer Tarntinte eingesetzt werden könnte“, schloss Dr. Jinyao Tang.
