一項新的研究揭開了奈米顆粒凝膠化轉變的機制

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在《Nature Communications》雜誌上發表的一項重大突破，揭示了支配奈米結構材料形成的普遍規律。米蘭大學的Alessio Zaccone教授和阿姆斯特丹大學的Peter Schall教授領導的研究人員已經證明，膠體奈米顆粒聚整合類似固體的系統跨度材料（膠體凝膠）的相變過程是由普遍規律描述的，它獨立於特定系統的特殊物理化學特徵。

特別是，透過理論、數值模擬和實驗研究之間的密切協同，研究人員在經過幾十年的激烈爭論後，首次證明，基本的相變（稱為膠體凝膠）與熱力學平衡之外發生的二階連續相變相吻合。如果某些熱力學量在整個轉變過程中呈現出不連續的狀態，那麼導致例如從氣體到液體或從液體到固體的相變就被歸為一階相變，而如果這些熱力學量變化平穩，則被歸為二階相變。

這就產生了巨大的差異，因為在這兩種情況下，能夠預測過渡點及其特徵的數學規律，以及新相的物理特性是非常不同的。在奈米粒子的情況下，凝膠化轉變是很特殊的，因為分散溶膠相中的奈米粒子是以單個粒子或部分 “團簇 ”的形式懸浮在液體（如水）中，相互隔離，而在類固體或凝膠相中，團簇相互連線成一個分形網路。這種網路表面上看是 “無序 ”或混亂的，但實際上因為是分形的，所以呈現出高度的對稱性。材料的分形性意味著粒子的密度在空間中以相同的冪律衰減，從材料中的每一點測量，支配這種衰減的冪律指數被稱為分形維度（分形物體的其他例子有雪片、河網、山脈或海岸）。

幾十年來，科學家們一直試圖確定液體中溶解的奈米顆粒轉變為分形網路是否受特定的熱力學相變支配。新的研究表明，該相變及其臨界指數（調節溶膠和凝膠相中的團粒大小分佈，以及網路本身的分形維度）可以從理論上先驗地計算出來，並且在膠體系統中利用共聚焦顯微鏡技術實驗測量到了完全相同的指數值，在計算機上的分子動力學模擬中也發現了相同的指數。

這一成果對設計、開發和控制具有理想分形結構的奈米結構材料，以及對這些材料的工業合成進行量化和最佳化是一個重大的進步。其應用範圍是多方面的，從農業用膠體凝膠（用於活性物質的控制釋放）到生物技術和藥物輸送中使用的蛋白質凝膠，再到填充奈米顆粒分形網路的奈米複合橡膠材料，可以減少車輛運輸中的汙染排放。

論文標題為《Nonequilibrium continuous phase transition in colloidal gelation with short-range attraction》。