香港大学《自然·通讯》：具有可调控补丁的Janus胶体及其手性组装

你知道吗？科学家们最近用一种特殊的胶体，制造出了可以自组装成各种有趣的结构的“杂耍球”！

这种胶体就是我们今天要介绍的Janus胶体，它的名字来源于古罗马神话中的一个拥有两张面孔的神灵。Janus胶体的特点是，它的表面只有一部分是有吸引力的，而其他部分是排斥的，就像是一个球被一半涂成了红色，一半涂成了黑色。这样的设计使得Janus胶体可以通过有吸引力的部分，也就是“补丁，patch”，来和其他胶体粘在一起，形成各种各样的结构。

以往的文献报道一般采用球形的胶体来制备Janus胶体，这样子的问题在于可调控的参数较少，只能通过改变“patch”的相对大小的方式来进行调控。如何通过增加“patch”的复杂度来制备更复杂的组装体便是一个问题。来自香港大学化学系Yufeng Wang教授领导的研究小组解决了上述问题，他们首先用一种叫做UiO-66的金属有机框架（MOF）材料，制作出了八面体的晶体，然后用一种油性的液体，包裹住这些晶体，形成了一个油滴。接着，他们用一种表面活性剂，调节油滴和晶体之间的接触角，使得油滴从晶体的表面退缩，露出了晶体的一部分。这样，就形成了一个由油滴和晶体组成的Janus胶体，其中晶体的露出部分就是“patch”。研究者们还发现，通过改变表面活性剂的浓度，可以控制“patch”的形状和对称性，从而得到不同类型的Janus胶体。这种通过采用多面体的胶体来增加“patch”的复杂度有助于得到更新颖的、靠以往球形Janus胶体得不到的组装体结构。

图1：不同类型的Janus胶体的形貌。

有了这些Janus胶体，研究者们就可以组装他们。为了让胶体之间产生吸引力，研究者们使用了一种叫做depletion force的胶体间作用力，就是在水中加入一些比胶体小得多的微粒，这些微粒会在胶体之间形成一个排斥区域，使得胶体之间的距离变小，从而产生一种有效的吸引力。研究者们发现Janus胶体与平坦的基底有较强吸引力，使得胶体只能在二维空间内运动和组装。

科学家们发现，不同类型的Janus胶体会形成不同的结构。例如，有一种只有一个三角形“patch”的Janus胶体，由于它的“patch”面只有一个，所以它不能和其他胶体粘在一起，只能单独地附着在基底上。另一种“patch”是金字塔形状的Janus胶体，它的“patch”面有四个，所以它可以和其他胶体粘在一起，形成一个三叶草状的三聚体，或者一个Y字形的三聚体，或者一个二聚体。还有一种有6个“patch”面的Janus胶体，它也可以和其他胶体粘在一起，但是它形成的三聚体却有一个非常特殊的性质，那就是手性。

图：三聚体及其手性。

手性指的是一个物体不能和它的镜像重合。研究者们发现，由有6个“patch”面的Janus胶体组成的三聚体，有两种不同的手性。这种手性是由于胶体的排列方式导致的，因为胶体的长轴并不会交于一点，而是呈现出一个顺时针或逆时针的方向。研究者们还发现，这种手性不仅存在于三聚体，还存在于二聚体，而且可以通过改变Janus胶体的提供排斥力的球形“lobe”的大小来调节手性的强度。

图：通过调节“lobe”的大小来调控手性的强弱。

这些发现让我们对Janus胶体的自组装有了更深入的理解，也为制造更复杂的胶体超结构提供了新的思路。Janus胶体的“patch”可以编码不同的对称性和方向性信息，从而实现不同的胶体组装。通过改变“patch”的形状和大小，还可以调节胶体结构的手性和稳定性。这些胶体结构可能在光子晶体、催化、传感、液体输送等领域有着潜在的应用。

如果你对这些有趣的“杂耍球”感兴趣，想要了解更多的细节，欢迎阅读原文《Janus particles with tunable patch symmetry and their assembly into chiral colloidal clusters》，发表在《自然通讯》杂志上。本论文的共同第一作者为香港大学化学系博士生Tianran Zhang、Dengping Lyu、Wei Xu。新加坡南洋理工大学的Xuan Feng博士和Ran Ni教授对该体系做了蒙特卡洛模拟。Yufeng Wang教授与Ran Ni教授为共同通讯作者。

链接如下：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44154-6

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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