軟物質中納米級流動追蹤，或引重大發現

大約 70 年來，培樂多（Play-Doh）一直以其可塑、柔軟的形態爲孩子們帶來歡樂。這種常見的物質屬於一個更廣泛的類別，即軟物質，其中包括一些食品（如蛋黃醬）、3D 打印機凝膠、電池電解質和乳膠漆。

來自美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和芝加哥大學普利茲克分子工程學院的科學家報告了一項開創性的進展，以在原子水平（納米級）更好地理解和改善軟物質的流動特性。這一進展依賴於一種稱爲 X 射線光子相關光譜（XPCS）的最先進技術。

該研究在發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

“軟物質很容易變形，”阿貢的高級顧問和資深科學家、芝加哥大學名譽教授馬修·蒂雷爾（Matthew Tirrell）解釋說。“其特性對諸如力、溫度變化或化學反應等外界刺激高度敏感。”

蒂雷爾將油漆作爲例子。當油漆塗在牆上時，在納米尺度會出現極爲複雜的流動現象，但當刷塗或滾塗結束時，人們期望流動也隨之停止，以免油漆從牆上滴落。

“簡而言之，我們研發出了一種新技術，用於表徵軟物質納米粒子在遭受諸如外力或溫度變化之類的作用時所歷經的複雜波動情況，”研究生兼主要作者何鴻瑞表示，他作爲研究生研究合作項目的一部分參與了這個項目。在該項目中，他一邊在芝加哥大學攻讀博士學位，一邊在阿貢國家實驗室開展研究。

截至目前，尚無人能夠精準地確定這些納米粒子隨時間的流動行爲及相互作用，並且將其與整體流動特性建立關聯。“以往的 XPCS 實驗需要對所收集的數據進行平均處理，這致使納米尺度複雜過程的關鍵信息丟失，”阿貢國家實驗室的化學家魏晨指出。

該團隊的創新方法讓科學家能夠依據 XPCS 數據確定一個關鍵因素——傳輸係數。

該係數用於衡量材料中的流量。

確定它對於搞清楚軟物質如何隨着時間響應外部刺激而移動和變化是至關重要的。

要獲取所需的 XPCS 數據，就得有像阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）（美國能源部科學辦公室的用戶設施）那樣的特殊 X 射線束。

該束對於材料在納米尺度上隨時間產生的任何無序性都非常敏感。

該團隊使用了一種複雜的軟材料——鹽溶液中球形帶電粒子的密集混合物——來測試他們的 XPCS 方法。

在 APS 的 8-ID-I 光束線給該材料施加了剪切力。

“當你把厚厚的乳液塗在手上並相互揉搓時，就會出現剪切現象，”美國物理學會的物理學家兼小組負責人蘇雷什·納拉亞南解釋道。

剪切的結果爲這種含鹽混合物中不斷變化的流動特性和變形情況提供了寶貴的見解。一開始，形成了三條納米粒子帶，分別是：快速移動的、緩慢移動的和靜止的。

15 秒後，快速移動的那條帶消失了。大約 40 秒後，這三條帶又都回來了。這些發現超出了當前分析方法的範圍，標誌着與許多不同類型的軟物質相關的 XPCS 分析取得了重大飛躍。

納拉亞南表示：‘由於 APS 升級使得光束亮度顯著增加，這種 XPCS 的發展對於未來的工作恰逢其時。’

更爲重要的是，它具備研究自然現象的潛力，像山體滑坡、地震以及動脈斑塊的生長等。

瞭解這些納米尺度上的流動波動情況，有助於預測更大規模的未來變化。

正在進行的 APS 升級涵蓋了位於 8-ID 且專門服務於 XPCS 的一套全新光束線。

新的光束線會藉助改進後的 X 射線束來推動未來的 XPCS 研究。

該團隊利用了阿貢國家實驗室的另一個美國能源部科學辦公室用戶設施——納米材料中心，對鹽溶液中的粒子進行表徵。