米兰大学阿莱西奥·扎克尼著 信用:CC0公共领域 发表在《自然通讯》上的一项重大突破揭示了控制纳米结构材料形成的普遍规律
教授领导的研究人员
米兰大学的阿莱西奥·扎克尼教授
阿姆斯特丹大学的彼得·沙尔已经证明了胶体纳米粒子聚集成一种类似固体的横跨体系的材料的相变是由普遍规律描述的，这些规律与给定体系特有的物理化学特性无关
特别是，通过理论、数值模拟和实验研究之间的密切协同作用，研究人员在经过几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一致
相变导致
g
从气体到液体或从液体到固体，如果某些热力学量在转变过程中表现出圆盘连续性，则被分类为一级相变，而如果这些热力学量平稳变化，则被分类为二级相变
这造成了巨大的差异，因为允许预测转变点及其特征以及新相的物理性质的数学定律在这两种情况下是非常不同的
在纳米粒子的情况下，凝胶化转变是特殊的，因为分散的溶胶相中的纳米粒子悬浮在液体中(例如
g
水)作为彼此隔离的单个粒子或“簇”的一部分，而在固体状或凝胶相，簇互连成分形网络
这个网络显然是“无序的”或混乱的，但在现实中，呈现出高度的对称性，因为它是分形的
材料的分形性质意味着，从材料中的每一点测量，粒子密度在空间中以相同的幂律衰减，控制这种衰减的幂律指数被称为分形维数(分形物体的其他例子是雪花、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液体中溶解的纳米粒子向分形网络的转化是否受特定热力学相变的控制
新的研究表明，相变及其临界指数，调节溶胶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)，可以从理论上先验地计算出来，并且在使用共焦显微技术的胶体系统中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
这一结果对于设计、开发和控制具有所需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向前迈出的重要一步
其应用多种多样，从农业用胶体凝胶(用于控制活性剂的释放)到生物技术和药物输送中使用的蛋白质凝胶，再到填充有纳米颗粒分形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
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