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一项新的研究揭示了纳米颗粒凝胶化转变的机理

更新时间:2020-07-21 20:08点击:

一项新的研究揭示了纳米颗粒凝胶化转变的机理

《自然通讯》发表了一项重大突破,揭示了支配纳米结构材料形成的普遍规律。教授领导的研究人员塞Zaccone米兰和大学教授彼得·绍尔对阿姆斯特丹大学已经证明,胶体纳米颗粒的相变聚合成固体状system-spanning材料(胶态凝胶)是由独立的普遍规律描述给定系统的特殊的物理化学特性。

特别是通过之间的紧密协同理论、数值模拟和实验调查,研究人员表明,经过几十年的激烈辩论,首次,底层的相位变换(称为胶体凝胶)正值二阶连续相变发生的热力学平衡。如果某些热力学量在相变过程中出现不连续,则导致从气体到液体或从液体到固体的相变被归类为一级相变,而如果这些热力学量平稳变化,则被归类为二级相变。

这就产生了巨大的差异,因为预测过渡点及其特征的数学定律,以及新阶段的物理特性,在两种情况下是非常不同的。上下文中的纳米颗粒,凝胶转变是特殊的,因为分散的纳米粒子溶胶阶段悬浮在液体(例如水)作为单一的粒子或“集群”的一部分,是互相隔离的,而在固体或凝胶阶段,簇互连成一个分形网络。这个网络显然是“无序的”或混沌的,但在现实中,由于它是分形的,所以呈现出高度的对称。材料的分形性质意味着粒子衰变的密度在空间相同的幂律来衡量每一个点的材料和支配的幂律指数衰变称为分形维数(其他分形对象的例子有雪花,河流网络、山脉或英国海岸)。

几十年来,科学家们一直试图确定在液体中溶解的纳米颗粒转变成分形网络是否受特定的热力学相变控制。这项新研究表明,相变,连同它的临界指数,既规范集群大小分布在溶胶和凝胶阶段,以及网络的分形维数本身(即材料的结构),理论上可以计算先验,和完全相同的值的指数测量实验在胶体系统中使用共焦显微技术,在计算机上的分子动力学模拟中也发现了同样的指数。

这一结果对于设计、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是一个重要的步骤。其应用是多方面的,从用于农业的胶体凝胶(用于活性物质的可控释放)到用于生物技术和药物输送的蛋白质凝胶,再到填充纳米颗粒分形网络的纳米复合橡胶材料,这种分形网络可以减少车辆运输中的污染排放。


一项新的研究揭示了纳米颗粒凝胶化转变的机理