微凝胶之谜被解开

PSI 和巴塞罗那大学的研究人员成功解释了微凝胶的奇怪行为。他们使用中子束进行的测量将这种测量技术推向了极限。 这些结果为材料和药物研究的新应用开辟了机会。

它们流经我们的动脉，为我们的血管壁增添色彩或使牛奶变得美味：微小的颗粒或液滴非常精细地分布在溶剂中。它们一起形成胶体。虽然涉及硬颗粒(例如乳胶漆中的彩色颜料)的胶体的物理学已被很好地理解，但涉及软颗粒(例如血红蛋白、血液中的素或牛奶中的脂肪滴)的胶体却带来了一些令人惊讶的惊喜。15 年前进行的一项实验表明，由聚合物制成的软颗粒(即所谓的微凝胶)在溶剂中的浓度增加到超过某个阈值时会突然收缩。当这种情况发生时，大颗粒会收缩，直到它们的大小达到较小颗粒的大小。令人惊讶的是，即使粒子实际上并未相互接触，这种情况也会发生。研究人员感到困惑：凝胶颗粒如何在不接触它的情况下知道它的邻居有多大?微凝胶之间是否存在某种“心灵感应”?

2016年的假设得到证实

“当然不是，”乌尔斯·加塞尔微笑着说。过去十年来，这位物理学家一直在研究胶体中微凝胶的神奇收缩。他与一组研究人员一起于 2016 年发表了一篇论文解释了这一现象。简而言之，在这种情况下，聚合物颗粒由长碳链组成。它们的一端带有微弱的负电荷。这些链形成一个球，即微凝胶。这可以被认为类似于羊毛球，具有海绵的特性。因此，这种三维缠结包含负点电荷，吸引液体中带正电的离子。这些所谓的抗衡离子将自身排列在球中的负电荷周围，在微凝胶表面形成带正电的云。当微凝胶靠得很近时，它们的电荷云会重叠(见图)。

然而，当时研究小组无法提供反离子云的实验证据。加塞尔现在与巴塞罗那大学的博士生周博阳和阿尔贝托·费尔南德斯-尼维斯一起提供了这一证据，并且令人印象深刻地支持了 2016 年的假设。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

SINQ 中子源对于解决这个难题至关重要

这要归功于 PSI 散裂源 SINQ 的中子以及实验技巧。因为胶体中的反离子云非常稀薄，以至于在散射中子的图像中实际上不可见。抗衡离子占微凝胶质量的比例不超过百分之一。因此，Gasser、Zhou 和 Fernandez-Nieves 检查了两个样品：一种胶体，其中所有抗衡离子都是钠离子，另一种胶体中所有抗衡离子都是铵离子 (NH 4)。这两种离子也天然存在于微凝胶中，并且它们以不同的方式散射中子。从一幅图像中减去另一幅图像就留下了反离子的信号。周博阳：“这个看似简单的解决方案在制备胶体时需要极其小心，以使离子云可见。以前没有人测量过如此稀薄的离子云。”

在化妆品和药品中的应用

了解软微凝胶在胶体中的行为意味着可以对其进行定制以适应许多不同的应用。在石油工业中，它们被泵入地下油藏以调节井中石油的粘度并促进其开采。在化妆品中，它们使面霜具有所需的稠度。智能微凝胶也是可以想象的，它可以装载药物。例如，这些颗粒可以与胃酸发生反应，并通过收缩释放药物。否则，当温度升高时，微凝胶可能会收缩成一个小的、致密的聚合物球，其反射光的方式与膨胀状态不同。这可以用作狭窄流体通道中的温度传感器。其他传感器可以设计为响应压力或污染的变化。“想象力是无限的，”乌尔斯·加塞尔说。

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