清华新闻网3月31日电 胶体粒子是具有不同大小和组成的，为稳定分散在液体环境中的尺度在纳米到微米的微观固体粒子。这些胶体粒子在恰当的条件下，会如同原子形核生长组成物质般通过自组装或定向组装得到具有特定结构的胶体物质。过去几十年中，胶体粒子的自组装和定向组装得到了人们的广泛关注。相比于热力学自组装，在电场、磁场、声场或光场作用下的定向组装能够更好地设计具有复杂几何形状的胶体物质。而相比于其他外场，激光极高的精度和丰富的光与物质相互作用机制为胶体材料的微结构化、多样化、高精度组装提供了技术路径。
近日，材料学院李正操教授课题组和精仪系孙洪波教授、林琳涵副教授课题组在系统总结目前的光诱导组装工作的基础上，从晶体学的独特角度，将胶体物质的光学组装过程类比为原子的形核、结晶、和生长的过程，串联介绍了光在不同阶段的作用（图1），探讨了光在胶体材料的成核、扩散、键合、生长等过程中的作用机制和技术发展现状，梳理了光诱导光力、热泳、流场所产生的形核、富集等效应对胶体组装过程的影响规律。

图1 原子组装与胶体组装的对比
光能够通过光力形成势阱或通过产生气泡提供异质形核界面的方式促进胶体粒子的定点形核。在生长过程中，光能够通过诱发热泳或者引发对流的方式，增强胶体溶液中的传质过程，以加速胶体物质的生长。光能够引发包括光结合力、耗尽力在内的多种胶体粒子间作用力，其中最强的范德华力能够在粒子间产生超过10nN的作用力，这种光致粒子间作用力能够实现可重构或永久的胶体物质（图2）。

图2 光在形核、富集、生长过程中的部分原理示意图
光诱导组装体系结合了胶体颗粒自身性质与组装产生的集体行为，扩展了胶体材料的性质，在很多领域有着广泛的应用。文章综述了目前光致组装体系在催化、微机械与手性光学器件，以及生物领域的应用。文章也分析了目前光致组装体系存在的一些问题，指出光诱导胶体组装技术的未来发展将依赖于对光学组装过程中光物质相互作用的更好理解，以便更好地控制胶体物质的几何形状，得到更精确的设计和更加复杂的应用。
本工作围绕光诱导组装技术与展望，以“光诱导胶体物质的组装”（Light-Directed Assembly of Colloidal Matter）为题3月23日在线发表在国际材料领域学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。材料学院2019级博士生陈学广为论文第一作者，通讯作者为林琳涵副教授、李正操教授和孙洪波教授。相关研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
材料学院李正操教授课题组主要致力于材料辐照效应、载能束—材料相互作用、核能材料与系统安全的研究。精仪系孙洪波教授、林琳涵副教授课题组主要致力于超快激光超精密制造、激光微操纵与超精密光学表征技术的研究。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202104649
供稿：材料学院
编辑：李华山
审核：吕婷
2022年03月31日 14:16:30