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動。從仿生學角度看，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航、同時利用光源自動獲取動能的微粒機器人。人類如果能制備出這種微粒機器人，那么會有很多用處，比如可在人體內使用的載藥機器人，可以自動向光源標定的靶區(qū)運動、富集。
合成物質是死的，讓合成物質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有關。雷諾數指的是流體慣性力與黏性力的比值，非常小的雷諾數意味著慣性力已經不起作用，在小雷諾數流體環(huán)境中，微粒并不能像蝴蝶那樣扇動翅膀推動自己前進，而只能像火箭那樣靠拋射物質推進。好在流體力學方面的科學家們發(fā)現，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。但是，即使微粒被驅動了，獲得了高于無規(guī)熱運動的動能，駕馭這些粒子實現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。因此制備光驅動的趨光性粒子，讓它通過光能獲取動能、并實現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，有些科學家將合成物質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)生光分解等化學反應，在粒子表面形成濃度梯度，從而推動粒子快速旋轉、以及帶有偏向性的無規(guī)運動，最終在光場中實現不均勻富集，但是氯化銀粒子并不能識別光源方向。
近日，中國科學技術大學化學與材料科學學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光場，并向光斑中心富集，接近光斑中心后還會進行朝向光源的、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性，關閉紫外光源，運動立即停止，因而是光驅動的趨光性運動。試驗中觀察到這種粒子的自推進速度高達20微米/秒，添加少量食鹽，運動速度會加快到約50微米/秒。當微粒處在紫外光場中時，迎光的一面與其背面光照強度不同，因而螺吡喃基團發(fā)生光反應的程度不一樣，導致粒子表面出現表面張力梯度，從而推動粒子前進，另外這種表面張力梯度是嚴格順著光源梯度的，它會產生力矩保證趨向光源運動的方向性。
自然界中極多數目的個體，如鳥、魚、牛等，群集組成所謂“活物質”，這種“活物質”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”的聚集運動甚至會發(fā)生相變，出現規(guī)則圖案等。揭示自然界中“活物質”群集運動的秘密，是軟物質科學研究的一個熱點領域，而趨光性自推進粒子可能是研究“活物質”聚集行為的極佳模型。
相關論文在線發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201505378)上，第一作者為中國科學技術大學化學與材料科學學院博士研究生李偉。
