【科研摘要】
原子是胶体自组装的灵感来源，由此构建块可以使用一些设计原则（包括方向性、价态和可逆结合）组合并赋予无限的功能。受碳原子键合启发的四面体结构长期以来一直被视为超材料的候选物，现在可以通过分子模拟胶体构建块获得。除了碳模拟物之外，正在合成越来越复杂的粒子，这些粒子可以排列在自己的元素周期表中，并用于生成胶体系统特有的物质形式。
最近，纽约大学Theodore Hueckel教授和Stefano Sacanna教授团队在综述《Nature Reviews Materials》上提出了一个框架来描述这些微米级胶体的合成，其中基本成分要么通过粒子间反应结合，要么通过粒子内反应转化，类似于传统合成化学中的分子。团队以此框架为基础来说明独特的颗粒形状和表面化学如何导致这些胶体构建块的不同组装路线。相关论文英文标题为Total synthesis of colloidal matter。
【主图导读】
图 1：基本胶体的周期表。胶体积木有多种形状和大小。这些积木的形态可以通过出现在不同对称群上的五个功能图案来表达。
水凝胶颗粒由遇水溶胀的交联聚合物形成。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）等水凝胶的一个特殊特性是它们对刺激的反应，包括热和 pH 值，这会使颗粒消胀，导致剧烈收缩（图 2b，左下角）。水凝胶柔软且高度可变形，使它们能够以硬球无法实现的方式相互作用和组装。
图 2：生长简单的胶体。a 化学反应建立了溶液中胶体成核的前体。b 几类胶体材料很重要，因为它们具有自组装和进一步反应的特性。
图 3：胶体化学。简单的胶体可以通过粒子间反应组合成新的、更复杂的形态。这些产品还可以通过粒子内反应进行内部变化以获得新的功能，可用于组装奇异材料。
图 4：粒子间反应。a 限时反应进行直到反应被淬灭。b 可以使用限制性试剂针对单个产品，例如收集卫星的核心。c 价赋粒子可以通过编程以特定方式组装，这些反应可能是无废物的，并且需要最少的纯化。d 收缩的乳液液滴促使其内部的颗粒紧密堆积。e 作为掺杂剂添加到晶体间隙中的核心粒子可以与其相邻粒子结合。
图 5：粒子内反应。A 从固态到液态的转变会驱动许多粒子内反应。B 通过溶解组分、选择性溶胀和消溶胀组分以及将溶剂吸入颗粒或抽出散装材料，可以在颗粒内反应中利用颗粒的溶解度。C 可以使用润湿性、表面张力、表面活性剂相互作用和结合颗粒之间的表面电位等特性来操纵颗粒表面以驱动反应。
图 6：胶体相互作用和目标。a 物理化学吸引力。b 熵相互作用。c 环境相互作用。
图 7：分子模拟结构。a 玻璃化发生在被迫快速组装的系统中，而结晶则发生在粒子缓慢组装时。b 带有排斥（灰色）和有吸引力（绿色）斑块的 Janus 粒子形成了几种模拟分子两亲物的结构，例如双层和胶束。c 互补粒子的行为类似于离子，可以组装成各种离子晶体结构，这些结构可以通过几何特性进行调整，例如粒度比。d 胶体碳模拟物是通过颗粒间和颗粒内反应的组合合成的。
参考文献：doi.org/10.1038/s41578-021-00323-x
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