一项新的研究揭示了纳米颗粒凝胶化转变的机理

在“自然通讯”上发表的一项重大突破中，规范纳米结构材料形成的普遍规律已经揭开面纱。由米兰大学的Alessio Zaccon教授和阿姆斯特丹大学的Peter Schall教授领导的研究人员已经证明，胶体纳米粒子聚集成固体类体系跨越材料(胶体凝胶)的相变由普遍定律描述，与给定体系的特殊物理化学特性无关。特别是，通过理论和实验研究之间的密切协同，研究人员在经过数十年的激烈辩论后首次表明，潜在的相变(称为胶体凝胶化)与热力学平衡之外发生的二级连续相变相一致，这是第一次，研究人员通过理论和实验的密切合作，首次证明了潜在的相变(称为胶体凝胶化)与超出热力学平衡的二级连续相变相一致。如果某些热力学量在相变过程中呈现不连续性，则将导致例如从气体到液体或从液体到固体的相变归类为一级相变，而如果这些热力学量平滑变化，则将它们归类为二级相变。

这有很大的不同，因为允许预测转换点及其特征的数学定律，以及新相的物理性质，在这两种情况下是非常不同的。在纳米颗粒的上下文中，凝胶转变是特殊的，因为分散溶胶相中的纳米颗粒作为相互隔离的单个颗粒或团簇的一部分悬浮在液体(例如水)中，而在类固体或凝胶相中，团簇相互连接成分形。这个网络表面上是无序的，或者说是混沌的，但实际上，因为它是分形的，所以呈现出高度的对称性。材料的分形性质意味着粒子的密度在空间中以与从材料中的每个点测量到的相同的幂律衰减，并且控制这种衰减的幂律指数被称为(分形对象的其他示例是雪花、河网、山脉或英国海岸)。

几十年来，科学家们一直试图确定液体中溶解的纳米颗粒转变为分形网络是否受特定的热力学相变控制。这项新的研究表明，相变及其调节溶胶和凝胶相中团簇尺寸分布的临界指数，以及网络本身的分形维数(即材料的结构)，可以从理论上先验地计算出来，并且已经在胶体体系中用共焦显微镜技术实验测得了完全相同的指数值，在计算机上的分子动力学模拟中也发现了相同的指数。

这一结果为设计、开发和控制具有理想分形结构的纳米结构材料以及量化和优化这些材料的工业合成迈出了重要的一步。其应用范围很广，从用于农业的胶体凝胶(用于活性物质的控制释放)到用于生物技术和药物输送的蛋白质凝胶，再到填充纳米颗粒网络的纳米复合橡胶材料，这些材料可以减少车辆运输中的污染排放。更多信息：Joep Rouwhorst等人。具有短程吸引的胶体凝胶中的非平衡连续相变，“自然通讯”(2020)。电话：10.1038/s4146720-17353-8