活性胶体(Active colloids)是一类能够将周围环境中各种形式的能量例如化学能、光能、声能、磁能、电能等,转化成机械能,实现自身在溶液中运动的微观颗粒。活性胶体在环境治理,物质输送和生物医药等领域具有广阔的应用前景,是目前物理、化学以及材料领域中最热点的研究之一。近年来,由于能够被无线、远程地控制,光响应型活性胶体受到了广泛关注并且发展十分迅速,人们在其设计构建、运动机理等方面都取得了一些重要成果。然而,如何精准的调控这种活性胶体的运动和切换运动模式,以及如何提高活性胶体制备产率并实现其功能化和应用仍然是巨大的挑战。针对这些问题,本文开展了光响应型活性胶体的设计和运动模式的调控以及活性胶体应用的研究。主要研究工作包括以下三个方面:(1)集平动和转动于一体的光响应型活性胶体活性胶体通常只有一种运动模式,平动或转动。我们首次设计并制备了一种集平动和转动于一体的光响应型氧化锌(ZnO)活性胶体。它由两段直径不同的ZnO棒构成,并在棒的一侧沉积一层纳米金。不同的直径可以打破棒的几何对称性,纳米金层可以改变棒两侧的电场。在紫外光照射下,这种ZnO胶体可以在燃料过氧化氢溶液(H2O2)中实现基于自电泳机理的自驱动运动。通过对ZnO胶体进行受力分析,我们发现ZnO胶体的转动行为是源于自身几何结构的不对称性造成的净力矩。并且通过调控紫外光光照强度、光照方向以及H2O2燃料浓度,我们可以调控ZnO胶体的运动速度和运动模式,实现超扩散平动、圆周运动、螺旋运动和直线运动等多种运动模式的可控切换。这种集平动和转动于一体的活性胶体不仅为研究活性胶体的运动机理提供了很好的模型体系,同时也为开发多运动模式活性胶体的应用提供了重要的设计和制备思路。(2)水热法大批量合成光响应型活性胶体为了突破活性胶体制备产率低下的局限,我们利用水热法大批量地合成了由双球组成的雪人状(snowman)光控ZnO活性胶体。这种雪人状ZnO活性胶体在紫外光的照射下,基于离子型自扩散泳机理进行自驱动运动。由于组成该胶体的两个ZnO微球并非完美的球形结构,存在的局部结构差异会引起不均匀的离子分布,从而导致活性胶体转动。在紫外光的照射下,随着H2O2燃料浓度增加,这种雪人状ZnO活性胶体发生从自由扩散运动到螺旋运动的运动模式转变。这种活性胶体为人们进一步研究和理解微观螺旋运动的机理提供了实验模型体系。进一步研究还发现这种活性胶体的平动和转动速度都与燃料浓度呈线性依赖关系,表明这种活性胶体可以应用于定量检测溶液中H2O2含量。此外,雪人状ZnO活性胶体的水热法制备简单实用并且产率高,有利于推动活性胶体的应用。(3)活性胶体在有机染料降解领域的应用光响应性活性胶体集合了自驱动运动和光催化活性两种性质,有望在有机染料降解过程种加速物质混合和染料降解。为此,我们采用多巴胺(PDA)原位氧化聚合的方法,制备了ZnO/PDA复合活性胶体。该胶体联合了ZnO活性胶体的运动性能和聚多巴胺材料的可见光吸收性质,能够在可见光的照射下,以纯水为燃料,实现离子型自扩散泳运动。进一步研究发现,在无任何额外光催化剂的参与下,这种ZnO/PDA活性胶体能够在可见光的照射下光催化降解有机染料,同时降解反应产生的产物梯度,还能够加强活性胶体的运动。相比传统静态光催化剂,这种活性胶体作为“动态光催化剂”可以自驱动运动,加强了溶液中的物质混合和传递,显著提高了染料的降解效率。因此,这种无需额外化学试剂,在可见光下即具有良好运动性能和催化降解性能的活性胶体,会带来环境修复领域的新突破,为其应用到现实环境中迈出了重要一步。