PSI 和巴塞罗那大学的科学家们成功地解释了微凝胶的奇怪行为。他们利用中子束进行的实验将这种测量技术的能力发挥到了极致。这一突破为材料科学和药物研究领域的新应用带来了希望。

该图形模拟显示了微凝胶颗粒（绿色）在液体中的排列，以及它们表面重叠的离子云（红色）。图片来源：Urs Gasser

它们在我们的动脉中流动，为我们的墙壁增色，或者让牛奶变得美味：微小的颗粒或液滴非常精细地分布在溶剂中。它们共同形成胶体。涉及硬颗粒的胶体（如乳胶漆中的彩色颜料）的物理学原理已为人们所熟知，而涉及软颗粒的胶体（如血液中的红色素血红蛋白或牛奶中的脂肪液滴）的物理学原理却让人大吃一惊。

15 年前进行的一项实验表明，当聚合物制成的软颗粒（即所谓的微凝胶）在溶剂中的浓度增加到某个临界值以上时，它们会突然收缩。当这种情况发生时，大颗粒会收缩，直到与周围的小颗粒大小相当。令人惊奇的是，即使颗粒之间没有实际接触，这种情况也会发生。
 

研究人员感到困惑：一个凝胶粒子在没有接触到它的邻居的情况下，是如何知道它有多大的呢？微凝胶之间是否存在某种"心灵感应"？

2016 年的假设得到证实

乌尔斯-加瑟笑着说："当然不是。过去十年来，这位物理学家一直在研究胶体中微凝胶的神奇收缩。"

2016 年，他与一组研究人员共同发表了一篇论文，解释了这一现象。简而言之，在这种情况下，聚合物颗粒由长碳链组成。这些碳链的一端带有微弱的负电荷。这些链形成一个球，即微凝胶。可以认为这就像一团羊毛，具有海绵的特性。

因此，这种三维纠结包含负点电荷，可以吸引液体中的正电离子。这些所谓的反离子围绕着球中的负电荷排列，在微凝胶表面形成带正电荷的云团。当微凝胶靠近时，它们的电荷云就会重叠（见图）。这反过来又会增加液体内部的压力，从而压缩微凝胶颗粒，直到达到新的平衡。

然而，研究小组当时还无法提供反离子云的实验证明。现在，Gasser 与他的博士生周博洋和巴塞罗那大学的 Alberto Fernandez-Nieves 一起提供了这一证据--它有力地支持了 2016 年的假设。这些结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。

SINQ 中子源对解开谜题至关重要

这要归功于 PSI 的 SINQ 溅射中子源的中子，以及一个实验技巧。由于胶体中的反离子云非常稀少，因此在散射中子的图像中实际上是看不到的。反离子占微凝胶质量的比例不超过百分之一。

因此，Gasser、Zhou 和 Fernandez-Nieves 研究了两种样品：一种胶体中的所有反离子都是钠离子，另一种是铵离子 (NH4)。这两种离子也天然存在于微凝胶中，而且它们对中子的散射不同。将一个图像从另一个图像中减去，就会留下反离子的信号。周博洋"这种看似简单的解决方案需要极其小心地制备胶体，以便使离子云清晰可见。以前从未有人测量过如此稀薄的离子云"。

在化妆品和药品中的应用

了解了软微凝胶在胶体中的行为方式，就意味着可以对它们进行定制，以适应许多不同的应用。在石油工业中，它们被泵入地下储油层，以调节油井中石油的粘度，促进石油的开采。在化妆品中，它们能使面霜达到理想的稠度。

智能微凝胶还可以装载药物。例如，微粒可以对胃酸产生反应，通过收缩释放药物。或者，当温度升高时，微凝胶可以收缩成一个小而密集的聚合物球，它对光线的反射与膨胀状态不同。这可以用作狭窄流体通道中的温度传感器。还可以设计其他传感器，以应对压力或污染的变化。乌尔斯-加塞尔说："想象力是无限的。"