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一项新研究揭示了纳米粒子凝胶化转变的机理

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-16 】 点击次数:
在《自然通讯》上发表的一项重大突破中,揭示了控制纳米结构材料形成的普遍规律。米兰大学的Alessio Zaccone教授和阿姆斯特丹大学的Peter Schall教授领导的研究人员证明,胶体纳米颗粒聚集到跨固体的系统材料(胶体凝胶)中的相变描述如下:与给定系统特殊的物理化学特征无关的通用定律。
 
特别是,通过理论,数值模拟和实验研究之间的紧密协作,研究人员在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)与二阶连续相一致。在热力学平衡之外发生的转变。如果某些热力学量在整个过渡过程中出现不连续性,则导致从例如气体到液体或从液体到固体的相变归类为一阶相变,而如果相变则将其归类为二阶相变。这些热力学量变化平稳。
 
这产生了巨大的差异,因为在两种情况下,可以预测过渡点及其特征以及新相的物理性质的数学定律有很大不同。在纳米粒子的情况下,凝胶化转变是独特的,因为分散的溶胶相中的纳米粒子以相互分离的单个粒子或“团簇”的一部分的形式悬浮在液体(例如水)中,而在固体-像相或凝胶相,簇相互连接成一个分形网络。该网络显然是“无序的”或混乱的,但实际上,由于它是分形的,因此呈现出高度的对称性。材料的分形特性意味着粒子的密度在空间中以与从材料中每个点测量的幂律相同的幂律衰减,并且控制这种衰减的幂律指数称为分形维数(分形对象的其他示例)是雪花,河网,山脉或英国海岸)。
 
数十年来,科学家一直试图确定液体中溶解的纳米颗粒向分形网络的转化是否受特定的热力学相变支配。这项新研究表明,相变及其临界指数可调节溶胶相和凝胶相中的团簇尺寸分布,以及网络本身的分形维数(即材料的结构) ),可以从理论上进行先验计算,并且使用共聚焦显微镜技术在胶体系统中通过实验测量了完全相同的指数值,并且在计算机上的分子动力学模拟中也发现了相同的指数。
 
该结果是具有所需分形结构的纳米结构材料的设计,开发和控制以及量化和优化这些材料的工业合成方面的重要一步。应用范围广泛,从农业用胶体凝胶(用于活性剂的控制释放)到生物技术和药物输送中使用的蛋白质凝胶,到填充有纳米颗粒分形网络的纳米复合橡胶材料,可减少车辆运输中的污染排放。 。

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