紐約大學的科學家們開發了一種利用光來引導微觀粒子如何在晶體中排列的方法。該工作已被Cell Press報道 金描述了一種直接且可逆的晶體構建技術，該技術可能有助於創建新型反應性和可延展性材料。
晶體在自然和技術中隨處可見，從雪花和鑽石到電子設備內的矽。晶體的核心是由以特定的重複圖案排列的顆粒組成。為了更好地了解這些結構是如何形成的，研究人員經常研究膠體顆粒，膠體顆粒是懸浮在液體中的小球體，它們自然地組裝成有序排列，稱為膠體晶體。這些顆粒還充當光學和光子應用（例如感測器和雷射）中使用的先進材料的關鍵成分。
儘管晶體很常見且非常有用，但精確控制它們的形成方式和時間仍然是一個主要障礙。
紐約大學化學教授 Stefanano Sacanna 表示：“該領域的挑戰在於控制：晶體通常會在需要的時間和地點形成，一旦條件設定，實時調整過程的能力就有限。”
使用光酸監測顆粒相互作用
在他們的化學研究中，研究小組發現了一種令人驚訝的簡單的指導晶體形成的方法：用光照射系統。
研究人員將被稱為光酸的光敏分子引入含有膠體顆粒的液體中。當暴露在光線下時，這些光酸會短暫地變得更加酸性。這種變化導致顆粒與其表面相互作用，從而改變顆粒的電荷。透過改變電荷，科學家可以控製粒子是聚集並黏在一起，還是分開並分離。
「本質上，我們使用光作為遙控器來編程物質在微觀尺度上的組織方式，」薩卡納說。
實時晶體生長和熔化
透過實驗和電腦模擬結合，研究人員證明，調整光的亮度、持續時間和模式可以非常精確地控制晶體的行為。它們可以隨時觸發晶體生長或導致晶體溶解。它們確定結晶發生的位置，可以重塑和「擠壓」結構，並提高其均勻性和尺寸，以創建更大、更複雜的膠體組件。
研究作者、蘇黎世聯邦理工學院的 Steven van Kesteren 表示：「使用我們的光酸，我們可以對粒子之間的吸引力進行驚人程度的控制。將光調高或調低一點，就能使粒子完全被粘住或完全自由。」他在紐約大學 Sacanna 實驗室擔任博士後研究員，從事這項工作。
「因為光很容易控制，所以我們的系統可以做相當複雜的事情。我們可以向粒子燈泡發射光，然後在顯微鏡下觀察它們融化，或者打開燈，以便將隨機粒子排列成晶體。我們還可以通過將粒子移除到位來很容易地移除特定晶體。”
單鍋配置，可逆安裝
這種方法的一個顯著優點是它可以作為「一鍋」實驗。該團隊無需在單獨的試驗中重新設計顆粒或反覆調整鹽濃度。透過簡單地改變照明水平，它們可以使粒子聚集成晶體或重新破碎它們。
邁向輕質可程式材料
這項進步使得材料的內部結構和性能可以透過光來調節。例如，光子材料可以根據需要寫入、擦除和重寫其顏色或光學響應。光可編程膠體晶體可實現可重新配置的光學塗層、自適應感測器以及下一代顯示和資料儲存技術，其中圖案和功能透過照明動態定義，而不是在製造中固定。
研究作者、紐約大學西蒙斯計算物理化學中心教授、化學副教授格倫·霍基 (Glen Hocky) 表示：“我們的方法使我們更接近動態、可編程的膠體材料，這些材料可以根據需要重新配置。” “這個系統還允許我們測試一些關於當粒子或分子之間的相互作用在空間或時間上發生變化時自組裝預測如何表現的預測。”應該如何表現的預測。
其他研究作者包括 Nicole Smina、Shihao Zang 和紐約大學的 Cheuk Wai Leung。該研究得到了美國陸軍研究辦公室（獎項 W911NF-21-1-0011）、瑞士國家科學基金會（撥款 217966）和紐約大學西蒙斯計算物理化學中心（撥款 839534）的支持。
