從溶膠到凝膠,這期間發生了什麼

材料牛註：從質感和口感（咦？）上來說，凝膠都算在固體的範疇內。然而凝膠是怎麼形成的？為什麼沒有流動性？內部結構是如何的？也許本文會給你答案。

凝膠態的產品在我們生活中隨處可見。但為什麼凝膠有著固體的性質呢？是什麼阻止了粒子的自由運動？來自埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）和杜塞道夫大學的一個研究團隊發現，凝膠的這些性質是由於粒子排列成有向鏈，進而形成網狀結構造成的。近日，該團隊將這一發現發表在著名雜誌Nature Communications上。

在該實驗中，科學家選用一種混合膠體組成的凝膠作為研究對象，在這種凝膠中，顆粒只有1毫米的千分之一大小，甚至比大分子的尺寸還要小。在混合膠體形成凝膠之前，所有粒子均可自由移動；一段時間後，粒子之間開始相互排斥。但是，如果粒子之間距離很小—小於粒子的尺寸，那麼這些粒子就會結合得更加緊密，這就導致了膠體鏈的形成。如果膠體鏈形成了更為複雜的網狀結構，宏觀看去就形成了凝膠。

該團隊還發現一個關鍵點，要形成凝膠，膠體鏈必須有特定的形態—有向鏈狀，不能有封閉的環狀鏈出現。因為環狀鏈無法向某個方向延伸，而有向鏈可以，從而增加了系統的穩定性，並賦予凝膠固體的性質。

這一研究結果對於我們理解凝膠材料的性質十分重要。凝膠經常作為穩定劑，廣泛應用在牙膏，明膠，化妝品和食物中。理論物理研究所的Michael Schmiedeberg教授說：「我們證明了，當體系中的膠體鏈伸長時，凝膠就會趨於收縮。這一發現會使食品的製備工藝更加成熟。

論文地址：Directed percolation identified as equilibrium pre-transition towards non-equilibrium arrested gel states

原文參考地址：New insights into how gels form（見下方「閱讀原文」）

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