葫蘆[8]脲三元包合物制備流變學特性可調的膠體
液體的流變學特性一直是學者們研究的熱點，它包括對流體的彈性、塑性、粘性及強度等性質的研究。近年來，隨著超分子化學的發展，具有刺激響應性的流體吸引了越來越多的關注。其中，具有光響應性的流體，比如能通過外界光刺激調控粘性（剪切稀化和剪切增稠）的膠體，已經在多個領域得到了應用。例如一些分散在顏料、涂料及潤滑劑中的膠體通常會在快速剪切的加工過程中出現不間斷的粘度增強現象，這種剪切增稠現象會在一定程度上損壞加工設備并降低產品的質量。因此具有可調控流變學特性的流體研究具有極為重要的現實意義。
圖1. 組成超分子化學膠體的主要化合物
（圖片來源：Small, 2018, 14, 1703352）
近日，英國劍橋大學化學系的Oren A. Scherman教授在對葫蘆[8]脲（CB[8]）識別性質研究的基礎上發展出了一種簡單高效的可控膠體制備方法。作者利用甲基紫精（MV）、偶氮苯及葫蘆[8]脲間的相互作用，將四氧化三鐵納米顆粒組裝到硅核上得到了樹莓狀的膠體。由于表面帶有正電荷，膠體顆粒間會相互排斥，因此在高的剪切速率下，膠體顆粒會形成水動力的團簇。而通過光照使得膠體顆粒解組裝后，帶正電的納米顆粒與帶負電的硅核心會相互吸引而出現剪切稀化的現象。該成果以“Cucurbit[8]uril-Regulated Colloidal Dispersions Exhibiting Photocontrolled Rheological Behavior”為題發表于《Small》（DOI: 10.1002/smll.201703352）。
圖2. a）樹莓狀膠體的SEM圖;b）經紫外照射后膠體的SEM圖;c）經可見光照射后膠體的SEM圖
（圖片來源：Small, 2018, 14, 1703352）
膠體的制備方式比較簡單，作者首先分別制備了表面富有甲基紫精的四氧化三鐵納米顆粒和表面富有偶氮苯的膠體顆粒。然后向四氧化三鐵納米顆粒的溶液中加入過量的葫蘆[8]脲，這時，葫蘆[8]脲會通過分子間相互作用與甲基紫精結合而負載到納米顆粒表面。接著，向含有MV-CB[8]-Fe3O4納米顆粒的溶液中加入之前制備的膠體顆粒，然后超聲5分鐘便可以得到樹莓狀結構的混合膠體（圖2a）。由于混合膠體是通過偶氮苯、甲基紫精和葫蘆[8]脲之間的相互作用形成的，而光照可以改變偶氮苯的順反式結構從而調控三元包合物形成，因此膠體顆粒在經過紫外照射后，其表面的四氧化三鐵納米顆粒會解離（圖2b）；而經過可見光照射后，納米顆粒又會再次負載到膠體上形成混合膠體（圖2c）。
圖3. a）膠體在光照前后的ζ電勢;b）流體的粘度隨剪切速率的變化情況;c）流體變化的重復性
（圖片來源：Small, 2018, 14, 1703352）
膠體在經過光照后改變的不僅是其表面形貌，其流變學特性也發生了一定的改變。沒有經過光照的膠體的表面ζ電勢約為+17 mV（圖3a），它們在溶液中會相互排斥。因此，如果溶液中含有高濃度的這種膠體顆粒，將會展現出一些非牛頓流體的特性，并且流體會在剪切速率達到一定程度時出現剪切增稠的現象（圖3b）。而經過紫外光照射后，流體在剪切速率提高的情況下只會出現剪切稀化的現象。不過，經過可見光照射后，流體可以恢復到之前的狀態，并且這種變化可以持續多次（圖3c）。
全部作者：C. Hu, J. Liu, Y. Wu, K. R. West, O. A. Scherman