受生物启发的活性物质系统自组装胶体集合体

活性物质系统具有独特的行为，包括集体自组装结构和集体迁移。然而，在没有墙壁附着支撑的空间中实现集体实体，以进行不分散的三维运动，是一项具有挑战性的工作。

在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，孙萌萌和中国和德国的机械工程和物理智能研究团队受到浮游生物迁移机制的生物启发，提出了结合磁场和光场的双模态驱动策略。

磁场触发磁性胶体颗粒的自组装以维持众多胶体作为动态稳定的实体，而光场则允许胶体集合体通过光热效应产生对流以进行 3D 漂移。这些集体在水下进行了 3D 运动，为合成活性物质的智能设备和智能材料的设计提供了见解，这些材料可以调节 3D 空间中的集体运动。

活跃的生命物质

活跃的生命物质在自然界中无处不在，提供自组装的集体，可以完成超越个体能力的复杂任务，其中包括鸟群和细菌菌落。

受自然集体的生物启发，可以将胶体作为材料的组成部分进行检查，就像形成分子和晶体组成部分的原子一样。胶体自组装可以作为一种制造纳米结构的方法进行研究，其技术意义在于构建纳米级电子器件、能量转换或存储、药物输送和催化剂。

胶体组装过程可以在图案化基底上或通过Langmuir-Blodgett 组装进行引导，用于纤维和细胞中的组装，并作为化学信号。

在这项工作中，孙萌萌和一组科学家提出了一种新方法，可以实现胶体集体的 3D 运动而不分散。该胶体集体由直径小于1微米的铁磁流体铁胶体颗粒组成，在定制的旋转磁场驱动下自组装成动态稳定的集体。

该团队专注于利用流体流进行 3D 漂流的光对流——受浮游生物的生物启发。孙和团队讨论了胶体集体转变的方法，以检查它们在水面上的运动能力。结果最终形成了具有 3D 移动性的胶体集体，以适应复杂的环境，并具有运动、自组装和调节的物理智能。

双峰激活策略

孙和研究团队采用磁场和光场的双模态驱动策略来实现胶体集体的3D运动。

第一步，他们通过引入包含三个可调参数(包括俯仰角、频率和强度)的磁场来触发胶体集合体的形成。起初，在没有磁场的情况下，铁磁流体胶体在沉降后 表现出布朗运动。

一旦受到定制的旋转磁场的激励，它们就会自组装形成被称为非平衡胶体集体的小型原始集体，这些集体的尺寸不断增加并与邻近的粒子合并以促进其生长;科学家通过模拟证实了这一点。

胶体集体的形态取决于所施加磁场的强度和频率，这使得集体能够保持其完整性，从而引发其动态稳定性的形成和维持。

分散的铁磁流体胶体颗粒吸收近红外光，将其转化为热能，从而产生局部温度梯度。温度梯度引起对流，将颗粒向上携带，聚集成具有增强光热效应的集合体。这导致维持一个动态稳定的实体，而不会解体。

在没有近红外光场的情况下，胶体集体随着流体动力的减弱而冷却，并在重力作用下逐渐下沉。

因此，这些样本调整了对流光场，实现了垂直向上、悬停和定向水平运动。由于水动力大于重力，对流将集体垂直向上推动，使胶体集体悬浮在水下。通过调节光场，孙和团队指导胶体集体的运动并调整它们在水下的位置。

通过空气-水界面转变

科学家们研究了胶体集体利用诱导对流突破水面的能力;表明样品如何通过克服水的表面张力成功地离开水。

胶体集体克服了表面张力和重力，在水面上进行良好调节的转变，在所需的位置和时间潜入水中。研究人员利用浮力、对流水动力、表面张力和重力来分析这些结构。

孙和团队探索了这些对传统微型机器人集体的影响，为水下和水面上的运动引入空间对称的相互作用。该团队利用磁场和光场来驱动此类微型机器人集体在水面上的运动，它们在光场驱动下爬上水弯月面进行运输。这种被称为表面行走器的仪器可以跨越比自身尺寸更大的障碍物，并绕过环境科学、医学和工程应用中的高障碍。

外表

这样，孙萌萌及其同事受到浮游生物迁移机制的生物启发，推动胶体集体在3D空间中无边界移动。该团队将磁场和光场结合起来，以实现水生环境中活性胶体集体的良好形成和调节的 3D 运动，并结合光场和磁场来促进 3D 运动。

这些沉积物和胶体系统为探索自组装物理学和开发合成功能材料的实用方法提供了强大的过程。

生命系统可以在外部磁场下形成自组装的胶体集体，以创建可以引导通过空间和界面的结构，以获得不寻常的几何形状和图案。

孙和团队打算研究这些集合及其材料合成和设计的复杂性。这些双重响应结构可以作为微型机器人集合体，具有环境适应性，在高粘度和高离子浓度的生物流体中具有实际应用，在生物医学工程中具有广泛的应用。