由物理鍵如氫鍵、離子鍵、疏水作用力、π-π堆積等相互作用形成的可逆物理凝膠，由于其物理弱鍵的動態(tài)性和可逆性表現(xiàn)出一系列獨特的性質，例如形狀記憶性、自修復性、可回收性和黏附性，這與由共價鍵交聯(lián)形成的化學凝膠形成鮮明對比。對于天然凝膠材料而言，其成分復雜，會同時包含由各類動態(tài)物理鍵構成的物理交聯(lián)點和由化學共價鍵構成的化學交聯(lián)點。因此，如何量化天然的復雜凝膠體系中物理鍵的強度和物理交聯(lián)點的密度一直是軟物質材料領域一個極具挑戰(zhàn)的科學難題。
近日，在國家科技部，自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室賈迪課題組利用動態(tài)光散射技術（圖a）揭示了復雜凝膠體系中物理弱鍵動態(tài)締合-解離的多層級微觀動力學普適性定律，并且發(fā)展了量化動態(tài)物理弱鍵的強度和凝膠中物理交聯(lián)點密度的新型表征方法。他們與美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校高分子系的M. Muthukumar教授合作，M. Muthukumar教授發(fā)展的全新理論深入闡釋了實驗上所觀測到的凝膠多層級微觀動力學的物理本質（圖b-c）。
研究人員利用動態(tài)光散射表征復雜凝膠材料體系，首次報道了動態(tài)可逆物理凝膠的動力學相關函數(shù)呈現(xiàn)出“stretched”指數(shù)衰減模式，且衰減指數(shù)β恒定為1/3，這是對過去五十年來傳統(tǒng)化學凝膠的相關函數(shù)均呈現(xiàn)純指數(shù)衰減這一結果的重要補充。當動態(tài)弱鍵在凝膠交聯(lián)點中占主導時，會出現(xiàn)物理弱鍵的動態(tài)締合-解離多層級微觀動力學，這一微觀動力學的集合行為在宏觀上被放大為其動力學相關函數(shù)呈現(xiàn)出“stretched”指數(shù)衰減模式，且衰減指數(shù)β恒定為1/3，具有普適性（圖d）。此外，其相關函數(shù)中的特征弛豫時間τβ與凝膠中動態(tài)物理鍵的鍵能正相關，因此可以通過特征弛豫時間τβ來量化凝膠中物理鍵的平均鍵能（圖e）。反之，當化學共價鍵在凝膠交聯(lián)點中占主導時，該多層級微觀動力學就會消失，其相關函數(shù)會出現(xiàn)傳統(tǒng)的純指數(shù)衰減模式。
該新型多層級微觀動力學定律對凝膠體系具有普適性，研究人員對各種復雜凝膠體系例如天然絲素蛋白凝膠、仿生黏液凝膠、DNA凝膠等進行動態(tài)光散射測試（圖f），通過其相關函數(shù)是否呈現(xiàn)“stretched”指數(shù)衰減模式可以評估凝膠中的物理交聯(lián)點密度，并通過其特征弛豫時間來量化凝膠中物理鍵的平均鍵能。
該工作對評估生命體系中凝聚態(tài)的動態(tài)弱鍵、設計可回收凝膠材料等具有重要指導意義。相關研究成果發(fā)表在Nat. Commun., 2025, 16, 3247。論文第一作者為化學所博士生趙怡慧，通訊作者為化學所賈迪研究員和美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的M. Muthukumar教授。
利用動態(tài)光散射揭示復雜凝膠體系中物理弱鍵動態(tài)締合-解離的多層級微觀動力學普適性定律
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58571-2
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