软物质中纳米级流动追踪，或引重大发现

大约 70 年来，培乐多（Play-Doh）一直以其可塑、柔软的形态为孩子们带来欢乐。这种常见的物质属于一个更广泛的类别，即软物质，其中包括一些食品（如蛋黄酱）、3D 打印机凝胶、电池电解质和乳胶漆。

来自美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家报告了一项开创性的进展，以在原子水平（纳米级）更好地理解和改善软物质的流动特性。这一进展依赖于一种称为 X 射线光子相关光谱（XPCS）的最先进技术。

该研究在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

“软物质很容易变形，”阿贡的高级顾问和资深科学家、芝加哥大学名誉教授马修·蒂雷尔（Matthew Tirrell）解释说。“其特性对诸如力、温度变化或化学反应等外界刺激高度敏感。”

蒂雷尔将油漆作为例子。当油漆涂在墙上时，在纳米尺度会出现极为复杂的流动现象，但当刷涂或滚涂结束时，人们期望流动也随之停止，以免油漆从墙上滴落。

“简而言之，我们研发出了一种新技术，用于表征软物质纳米粒子在遭受诸如外力或温度变化之类的作用时所历经的复杂波动情况，”研究生兼主要作者何鸿瑞表示，他作为研究生研究合作项目的一部分参与了这个项目。在该项目中，他一边在芝加哥大学攻读博士学位，一边在阿贡国家实验室开展研究。

截至目前，尚无人能够精准地确定这些纳米粒子随时间的流动行为及相互作用，并且将其与整体流动特性建立关联。“以往的 XPCS 实验需要对所收集的数据进行平均处理，这致使纳米尺度复杂过程的关键信息丢失，”阿贡国家实验室的化学家魏晨指出。

该团队的创新方法让科学家能够依据 XPCS 数据确定一个关键因素——传输系数。

该系数用于衡量材料中的流量。

确定它对于搞清楚软物质如何随着时间响应外部刺激而移动和变化是至关重要的。

要获取所需的 XPCS 数据，就得有像阿贡国家实验室的先进光子源（APS）（美国能源部科学办公室的用户设施）那样的特殊 X 射线束。

该束对于材料在纳米尺度上随时间产生的任何无序性都非常敏感。

该团队使用了一种复杂的软材料——盐溶液中球形带电粒子的密集混合物——来测试他们的 XPCS 方法。

在 APS 的 8-ID-I 光束线给该材料施加了剪切力。

“当你把厚厚的乳液涂在手上并相互揉搓时，就会出现剪切现象，”美国物理学会的物理学家兼小组负责人苏雷什·纳拉亚南解释道。

剪切的结果为这种含盐混合物中不断变化的流动特性和变形情况提供了宝贵的见解。一开始，形成了三条纳米粒子带，分别是：快速移动的、缓慢移动的和静止的。

15 秒后，快速移动的那条带消失了。大约 40 秒后，这三条带又都回来了。这些发现超出了当前分析方法的范围，标志着与许多不同类型的软物质相关的 XPCS 分析取得了重大飞跃。

纳拉亚南表示：‘由于 APS 升级使得光束亮度显著增加，这种 XPCS 的发展对于未来的工作恰逢其时。’

更为重要的是，它具备研究自然现象的潜力，像山体滑坡、地震以及动脉斑块的生长等。

了解这些纳米尺度上的流动波动情况，有助于预测更大规模的未来变化。

正在进行的 APS 升级涵盖了位于 8-ID 且专门服务于 XPCS 的一套全新光束线。

新的光束线会借助改进后的 X 射线束来推动未来的 XPCS 研究。

该团队利用了阿贡国家实验室的另一个美国能源部科学办公室用户设施——纳米材料中心，对盐溶液中的粒子进行表征。