近日，我院李宝军/辛洪宝教授等在胶体颗粒四维图案化组装研究方面取得重要进展，他们基于多物理场操控原理，发展出一种用于胶体颗粒图案化组装的自适应光、热、流体协同操控方法，该研究成果以“Adaptive opto-thermal-hydrodynamic manipulation and polymerization (AOTHMAP) for 4D colloidal patterning”为题发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》(论文链接)。我院助理教授史阳为论文第一作者，李宝军教授和辛洪宝教授为论文共同通讯作者。
胶体图案化组装是一种能够创建具有尺寸可控、形状可调和组份可定制的2D或3D结构的方法，在软物质物理、材料科学、智能制造、光电子、生物医学工程等领域具有广泛的应用前景。近年来，4D胶体图案化组织因能够创建随时间变化的动态结构而备受关注，因为这种方法不仅能够在空间精确控制胶体颗粒的排列，还能使排列的结构根据周围环境的变化而实时演变，具有动态可编程特性。然而，传统的基于电、磁、声等单物理场的胶体图案化方法通常空间分辨率低、相互作用复杂、难以精确操控单个胶体颗粒，这些问题在构建少量胶体颗粒或复杂结构时尤为突出。尽管基于光力的图案化组装方法在一定程度上改善了这些问题，但在粒子的运输和固定过程中仍需额外步骤，增加了系统的复杂性并降低了图案化组装效率。
针对单物理场方法在胶体图案化组装中存在的问题，李宝军/辛洪宝教授等提出了基于多物理场的光、热、流体协同操控方案，用单激光束的光热效应产生同轴自然对流，将大范围内胶体颗粒高效地输送至光轴附近，然后，通过光与颗粒动量交换所产生的梯度力和散射力完成对颗粒的精准定位。一旦颗粒精准定位后，其球形结构聚焦光束，从而产生局域化的光子纳米喷流，进一步加快了表面水凝胶的聚合和颗粒的快速固定。这种方法能够根据颗粒的实时状态，自适应地切换到最合适的物理场，不仅大幅提高了颗粒图案化组装的速度和自动化程度，还降低了对操作环境的要求，显著简化了操作的复杂性。这种方法的优势在于能构建具有环境响应和动态重构能力的胶体结构，使其根据不同的环境刺激智能响应，实现4D图案化组织，极大增强了系统的功能和适应性。该方法不仅为胶体颗粒图案化组装提供了解决方案，还将有助于智能制造、光电集成和生物制造等功能化器件的制备以及生物微马达构建等。
