PSI 和巴塞羅那大學的科學家們成功地解釋了微凝膠的奇怪行為。他們利用中子束進行的實驗將這種測量技術的能力發揮到了極致。這一突破為材料科學和藥物研究領域的新應用帶來了希望。

該圖形模擬顯示了微凝膠顆粒（綠色）在液體中的排列，以及它們表面重疊的離子云（紅色）。圖片來源：Urs Gasser

它們在我們的動脈中流動，為我們的牆壁增色，或者讓牛奶變得美味：微小的顆粒或液滴非常精細地分佈在溶劑中。它們共同形成膠體。涉及硬顆粒的膠體（如乳膠漆中的彩色顏料）的物理學原理已為人們所熟知，而涉及軟顆粒的膠體（如血液中的紅色素血紅蛋白或牛奶中的脂肪液滴）的物理學原理卻讓人大吃一驚。

15 年前進行的一項實驗表明，當聚合物製成的軟顆粒（即所謂的微凝膠）在溶劑中的濃度增加到某個臨界值以上時，它們會突然收縮。當這種情況發生時，大顆粒會收縮，直到與周圍的小顆粒大小相當。令人驚奇的是，即使顆粒之間沒有實際接觸，這種情況也會發生。

研究人員感到困惑：一個凝膠粒子在沒有接觸到它的鄰居的情況下，是如何知道它有多大的呢？微凝膠之間是否存在某種”心靈感應”？

2016 年的假設得到證實

烏爾斯-加瑟笑著說：”當然不是。過去十年來，這位物理學家一直在研究膠體中微凝膠的神奇收縮。”

2016 年，他與一組研究人員共同發表了一篇論文，解釋了這一現象。簡而言之，在這種情況下，聚合物顆粒由長碳鏈組成。這些碳鏈的一端帶有微弱的負電荷。這些鏈形成一個球，即微凝膠。可以認為這就像一團羊毛，具有海綿的特性。

因此，這種三維糾結包含負點電荷，可以吸引液體中的正電離子。這些所謂的反離子圍繞著球中的負電荷排列，在微凝膠表面形成帶正電荷的雲團。當微凝膠靠近時，它們的電荷雲就會重疊（見圖）。這反過來又會增加液體內部的壓力，從而壓縮微凝膠顆粒，直到達到新的平衡。

然而，研究小組當時還無法提供反離子云的實驗證明。現在，Gasser 與他的博士生周博洋和巴塞羅那大學的Alberto Fernandez-Nieves 一起提供了這一證據–它有力地支持了2016 年的假設。這些結果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上。

SINQ 中子源對解開謎題至關重要

這要歸功於PSI 的SINQ 濺射中子源的中子，以及一個實驗技巧。由於膠體中的反離子云非常稀少，因此在散射中子的圖像中實際上是看不到的。反離子佔微凝膠質量的比例不超過百分之一。

因此，Gasser、Zhou 和Fernandez-Nieves 研究了兩種樣品：一種膠體中的所有反離子都是鈉離子，另一種是銨離子(NH4)。這兩種離子也天然存在於微凝膠中，而且它們對中子的散射不同。將一個圖像從另一個圖像中減去，就會留下反離子的信號。周博洋”這種看似簡單的解決方案需要極其小心地製備膠體，以便使離子云清晰可見。以前從未有人測量過如此稀薄的離子云”。

在化妝品和藥品中的應用

了解了軟微凝膠在膠體中的行為方式，就意味著可以對它們進行定制，以適應許多不同的應用。在石油工業中，它們被泵入地下儲油層，以調節油井中石油的粘度，促進石油的開採。在化妝品中，它們能使面霜達到理想的稠度。

智能微凝膠還可以裝載藥物。例如，微粒可以對胃酸產生反應，通過收縮釋放藥物。或者，當溫度升高時，微凝膠可以收縮成一個小而密集的聚合物球，它對光線的反射與膨脹狀態不同。這可以用作狹窄流體通道中的溫度傳感器。還可以設計其他傳感器，以應對壓力或污染的變化。烏爾斯-加塞爾說：”想像力是無限的。”