自组装 (self-organization)是大量基本单元 (elementary units) 在大于其尺度上形成的一种自发的结构协调行为，许多能够进行能源转换的自然或人工体系都依赖这一过程形成复杂结构以及实现复杂功能。受到生物系统的启发，控制人工非平衡态系统自组装形成可重构化、自适应的人工材料近年来引起了广泛的关注。在胶体科学中，可以进行的能量转换然后进行耗散行自组装的胶体系统具有模拟生物自组装、运输、可逆收集被动胶体货物以及实施微观机械设备的能力。由于胶体易于合成且其大小可与可见光波长相似，因此胶体成为合成光子材料和光学器件的理想构建模块，其光学性能尤其固定的拓扑结构和空间相关性决定。向这些静态的光学组件添加光学增益可以触发激光。详细地，激光染料 (增益介质) 中的胶体可以对其中的光产生散射和放大，当用恒定光斑大小和强度的高能激光器进行光泵浦，且局部胶体密度达到阈值 (即光离开介质前的平均光程长度足以产生净放大) 之上时，就会产生激光。在无序自组装系统中，固态光学玻璃、TiO2胶体体系、半导体粉末中都观察到了随机激光，由于随机激光的灵活性和形状不敏感性，其在传感甚至活体组织结合中都有广阔的应用前景。能够主动控制光通量的可重构光子架构被认为是下一代光子器件。但是目前基于胶体聚集体的随机激光器件性能由其最终构型决定，较为静态与固定，不利于其进一步应用。近日，伦敦大学Giorgio Volpe，帝国理工Riccardo Sapienza等人，通过胶体体系中的个别单元对光的吸收后展现出的动力学行为 (如响应性，重构性，协调性) 实现胶体的耗散自组装，当胶体团簇达到阈值尺寸时出现激光，通过控制胶体集群动力学实现可编程随机激光器。成果发表在Nature Physics上。光致热梯度 (对流、热泳、热渗流、热电、耗尽效应) 在光流体和胶体操控中有着广泛的应用。本文通过632.8 nm的连续波HeNe激光照射碳半包覆的Janus (RS= 4.22 ± 0.14 μm) ，其产生的局部温度梯度可使原本自由扩散的聚乙烯亚胺功能化的TiO2粒子 (RTiO2 = 0.915 ± 0.03 μm) 在罗丹明染料的乙醇溶液中进行自组装，形成胶体粒子集群；当撤去外部光源时，TiO2粒子重新恢复自由扩散状态；这种基于耗散的自组装可以可逆的反复进行。当胶体粒子高密度集群形成时会出现激光现象。通过测量瞬时发射光谱，发现激光阈值条件为发射光谱的线宽缩小到13.5 nm。光谱显示可以通过控制光泵浦区域内胶体集群的大小和密度来对随机激光进行编程。在自由扩散状态下的胶体粒子密度 (2 × 1015个/m−3) 太小而不足以产生激光；在高密度状态 (12 × 1015个/m−3) 下，在560 nm处展现出线宽约为5 nm 的窄峰。随后的功率相关性实验显示胶体集群产生激光的最低功率为70 mJ/cm2。胶体集群产生的激光具有以下两个特点：(1) 发射强度有明显的超线性增加；(2) 谱线宽度有明显的减小。光热梯度被认为是胶体集群形成的直接原因，0.14 mW/μm2 的HeNe激光会产生57±1.6℃的温差并在Janus粒子周围形成径向热梯度，进而产生热致漂移，这里用热漂移系数表征胶体的热迁移能力，热漂移系数集成了热渗流、热泳等复杂因素；热迁移速度被定义为：距离Janus越近的位置热梯度越大，相对应的迁移速度也会更强，这可以更好抵消掉胶体的扩散作用及其之间短程的排斥相互作用一展现出更好的方向性。当热源关闭时，扩散和胶体粒子之间的短程排斥相互作用驱动胶体区域平衡分布，而当热源重新打开时，由于热源周围的胶体密度更高，胶体重新积累的速度比第一次积累快得多。这也就意味着可以通过改变光热梯度来改变集群形态。只有当胶体集群具有足够小的散射平均自由程和足够大的集群面积时才可以触发激光。随着胶体密度的增加，激光出现的临界半径 (Rcr) 单调减小，从而有利于激光线宽的减小。图|基于耗散动力学可逆胶体集群形成及其可控随机激光胶体粒子可控自组装的非平衡动力学赋予了基于胶体集群的激光器时空可重构的可能性。本文将Janus粒子分散在不同位置，并按照一定时间顺序对其进行光控加热，当粒子间间距小于一个泵点大小时，可通过不同粒子的光热梯度实现“信息交换”，实现了随机激光在空间和时间上的载荷位移。与生物界的集群现象相似，多个体间的交互总能带来意想不到的 “涌现”(merge) 现象。当胶体体系中存在多个热源 (Janus粒子) 时，如果一个Janus粒子产生的热梯度无法使TiO2集群达到激光临界半径，其周围的Janus粒子就会发生主动发生迁移，主动运动到其周围并参与热梯度的形成从而扩大热梯度进而引起更大范围的胶体集群使其刚好超过激光临界半径。除了细化激光光谱仪之外，多Janus粒子另一个意外特性是可以形成具有不同几何形状的胶体集群从而赋予胶体集群不同的光谱特性，其几何形状由Janus粒子数量决定。1.首次通过实验演示了基于胶体的耗散动力学自组装的胶体集群的可重构随机激光器，动态地实现了形态和光学功能的耦合。2.可自组织的胶体的随机激光器可以根据需要产生可控、可编程的激光。该激光器尺寸较小 (几十微米)。3.结果可以推广到其他吸光材料 (例如金基、碳基材料等)，并对活性胶体集群的设计提供了指导思路。可响应、可重构、相互协调是实现“有生命”激光器的第一步，这里展示的激光器还是准二维的，其配置速度还是较慢，不过可以想象的是，如果将这种可重构胶体集群拓展到三维，那将具有更快的响应速度，同时如果将热梯度场改换成其他刺激 (如光、电、磁等)，这种激光器有望在新型光源、无散斑照明、非常规计算、传感等领域展现出非凡的潜力。Trivedi M, Saxena D, Ng W K, et al. Self-organized lasers from reconfigurable colloidal assemblies[J]. Nature Physics, 2022: 1-6.DOI: 10.1038/s41567-022-01656-2https://www.nature.com/articles/s41567-022-01656-2
