說到趨光性，大家都不陌生，很多活的微生物、動植物都有趨光現(xiàn)象，比如夏夜飛撲燈下的蛾子，水里游動的綠藻、鞭毛藻等。雖然生物趨光性的機(jī)制還不完全清楚，但是趨光性對生物可能有兩個好處，一是利用光導(dǎo)航，二是提高獲取光能的效率，特別是那些具有光合作用的藻類。很顯然，趨光跟光驅(qū)動是不同的兩回事，前者是一種能定位光源方向并趨向光源的運動，而后者僅僅意味著利用光能驅(qū)動。從仿生學(xué)角度看，那些具有趨光性同時具有光合作用的微生物，簡直就是可以利用光源導(dǎo)航、同時利用光源自動獲取動能的微粒機(jī)器人。人類如果能制備出這種微粒機(jī)器人，那么會有很多用處，比如可在人體內(nèi)使用的載藥機(jī)器人，可以自動向光源標(biāo)定的靶區(qū)運動、富集。
合成物質(zhì)是死的，讓合成物質(zhì)微粒在流體中自行運動，其實并不容易，這跟微粒在流體中非常小的雷諾數(shù)有關(guān)。雷諾數(shù)指的是流體慣性力與黏性力的比值，非常小的雷諾數(shù)意味著慣性力已經(jīng)不起作用，在小雷諾數(shù)流體環(huán)境中，微粒并不能像蝴蝶那樣扇動翅膀推動自己前進(jìn)，而只能像火箭那樣靠拋射物質(zhì)推進(jìn)。好在流體力學(xué)方面的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，微粒還可以利用自己表面形成的某種界面梯度場（如靜電場梯度、濃度梯度、溫度梯度等）推進(jìn)。但是，即使微粒被驅(qū)動了，獲得了高于無規(guī)熱運動的動能，駕馭這些粒子實現(xiàn)定向運動也是非常困難的，這是因為受流體分子布朗運動影響，微粒的運動一般都是無規(guī)運動。因此制備光驅(qū)動的趨光性粒子，讓它通過光能獲取動能、并實現(xiàn)趨向光源的定向運動，是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。以前并沒有真正的趨光性合成粒子被制備出來，有些科學(xué)家將合成物質(zhì)微粒固定到活的趨光性微生物上，制成半合成的趨光性微粒。氯化銀粒子在光照下會發(fā)生光分解等化學(xué)反應(yīng)，在粒子表面形成濃度梯度，從而推動粒子快速旋轉(zhuǎn)、以及帶有偏向性的無規(guī)運動，最終在光場中實現(xiàn)不均勻富集，但是氯化銀粒子并不能識別光源方向。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院劉和文課題組制備了一種帶有光致電離螺吡喃末端基團(tuán)的超支化分子，然后將這種超支化分子分散在水中形成微米尺度的膠體粒子，這種膠體粒子具有真正的趨光性。在經(jīng)10-40倍放大鏡聚焦的紫外光場中（紫外能量密度約為190 mW/cm2），這些膠體粒子會源源不斷地從光場外游進(jìn)光場，并向光斑中心富集，接近光斑中心后還會進(jìn)行朝向光源的、垂直方向的運動，這說明這些粒子可以識別光源方向和梯度，具有真正的趨光性。另外這種粒子的運動具有紫外光響應(yīng)性，關(guān)閉紫外光源，運動立即停止，因而是光驅(qū)動的趨光性運動。試驗中觀察到這種粒子的自推進(jìn)速度高達(dá)20微米/秒，添加少量食鹽，運動速度會加快到約50微米/秒。當(dāng)微粒處在紫外光場中時，迎光的一面與其背面光照強(qiáng)度不同，因而螺吡喃基團(tuán)發(fā)生光反應(yīng)的程度不一樣，導(dǎo)致粒子表面出現(xiàn)表面張力梯度，從而推動粒子前進(jìn)，另外這種表面張力梯度是嚴(yán)格順著光源梯度的，它會產(chǎn)生力矩保證趨向光源運動的方向性。
自然界中極多數(shù)目的個體，如鳥、魚、牛等，群集組成所謂“活物質(zhì)”，這種“活物質(zhì)”中每個個體雖然各自獨立運動，但集群的整體運動有序，快速運動的個體之間并不會失控發(fā)生碰撞，“活物質(zhì)”的聚集運動甚至?xí)l(fā)生相變，出現(xiàn)規(guī)則圖案等。揭示自然界中“活物質(zhì)”群集運動的秘密，是軟物質(zhì)科學(xué)研究的一個熱點領(lǐng)域，而趨光性自推進(jìn)粒子可能是研究“活物質(zhì)”聚集行為的極佳模型。
相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201505378)上，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士研究生李偉。
