凝膠化是網(wǎng)絡形成相分離的動態(tài)停滯結果，這種相分離發(fā)生在各種各樣的軟物質(zhì)和生物物質(zhì)，也存在于諸多的技術應用當中，例如藥物遞送系統(tǒng)和柔性電子產(chǎn)品；并且，膠凝現(xiàn)象具有重要的生物學意義：活細胞中生物分子的膠凝會導致神經(jīng)退行性疾病，因此，清晰凝膠化一般機制顯得尤為重要。對此，東京大學Hajime Tanaka等人發(fā)現(xiàn)：在稀膠體懸浮液中存在一種未曾被發(fā)現(xiàn)的凝膠類型，在局部動力學停止后發(fā)生滲透，形成機械穩(wěn)定的剛性團簇，該成果以“A unique route of colloidal phase separation yields stress-free gels”為題于2020年10月7日發(fā)表于《Science Advances》
對于膠體懸浮液，目前已達到的共識即“凝膠通過相分離的動態(tài)阻滯形成”，在這種凝膠化中，相分離結構的滲透發(fā)生在動態(tài)停滯（即機械穩(wěn)定的剛性團簇形成）之前，導致在凝膠網(wǎng)絡中產(chǎn)生機械應力；在文章中，研究人員在稀膠體懸浮液中發(fā)現(xiàn)一種未曾被發(fā)現(xiàn)的凝膠類型，在這種凝膠化中，相分離結構的滲透發(fā)生在動態(tài)停滯之后，因此幾乎不產(chǎn)生機械應力；進一步研究發(fā)現(xiàn)，只要相互作用是短距離的，2種類型的凝膠化（受應力和無應力）僅由體積分數(shù)決定。
研究人員開發(fā)了一種新穎的原位單顆粒成像方案獲得聚集動力學，實現(xiàn)從一開始就以單顆粒分辨率跟蹤稀膠體懸浮液的整個凝膠過程，并且不會因混合而受到有害的流動影響。這對于研究稀膠體懸浮液中的凝膠化至關重要，因為微弱流動便會嚴重干擾凝膠化過程。
研究人員發(fā)現(xiàn)稀懸液凝膠化的動力學途徑：對于?φc≤0.1，由于短程性質(zhì)的多體流體動力相互作用（即擠壓效應），相分離最初導致形成孤立的鏈狀簇；簇折疊以形成緊湊、剛性的承重結構；最后滲透形成凝膠。因此，當發(fā)生滲透時，局部機械松弛已完成，形成的凝膠不產(chǎn)生機械應力，該類型凝膠稱為“無應力凝膠（SF-G）”；對于φc≥0.1，在團簇機械地向剛性穩(wěn)定結構松弛之前發(fā)生滲透，該類型凝膠稱為“應力凝膠（VPS-G）”
[圖文簡介]
圖1 相圖和稀釋凝膠的典型動力學途徑（A）膠體-聚合物混合物中的吸引力示意圖，（B）在聚合物濃度cp和膠體體積分數(shù)φc的平面上，吸附范圍為ξ= 7％的膠體-聚合物混合物的相圖（C）在φc= 0.046，cp?= 2.2 mg / g和ξ= 7％的樣品中觀察到的凝膠化過程
圖2 凝膠化的兩種不同途徑（A）滲流τperc和折疊τopen隨φc的特征時標的比較（B）關于鍵角（Θbond）分析的示意圖，因此，結合角可以用作機械張力的量度（C和D）φc分別為0.083和0.17的凝膠化樣品Θ鍵分布（E）τopen的時間演變角[70°<Θbond<180°]
圖3 鏈狀簇折疊成致密結構 （A）形成鏈狀簇并將其轉變?yōu)榫o湊剛性結構示意圖（B）通過高速掃描觀察到從單鏈到多鏈構型的折疊過程（C）模擬中使用的電勢形狀（D）沒有水動力相互作用且具有短程AO吸引力的BD模擬（E）具有水動力相互作用和短程AO吸引力的BD模擬（F）具有水動力相互作用和Lennard-Jones（LJ）勢的FPD模擬
圖4 SF-G和VPS-G的區(qū)別（A到C）SF-G和VPS-G的滲透時間與局部壓實特征時間之間的比較（D到F）VPS-G中拉伸段的分析
圖5 凝膠化的兩種普遍途徑：（A）SF-G和VPS-G凝膠路徑的示意圖。流體+液相分離（平衡狀態(tài)）的動力學路徑（在初始階段）被水動力相互作用（在初始階段）和機械穩(wěn)定化（通過在折疊后狀態(tài)下）的形成而被阻止（B）所有凝膠樣品的所有時間步長的2D投影
[結論]
文章完成了如下幾個重要的工作：
1：建立了一種新型凝膠SF-G，并確定其通用動力學路線，通過原位單粒子成像和流體動力學模擬揭示了SF-G的基本機制，該發(fā)現(xiàn)對膠體懸浮液、蛋白質(zhì)溶液和乳液分層誘導凝膠化動力學的基本理解產(chǎn)生重要影響；同時，文章揭示了相分離是如何在稀懸浮液中發(fā)生滲透；
2：揭示了粒子間吸引力特征如何影響聚集、相分離和凝膠化，相互作用的性質(zhì)如何改變凝膠化行為是一個有趣的課題，尤其是在生物相分離方面
3：最后，該理念對活細胞中生物分子凝聚具有重要影響。生物分子凝聚物通常處于液態(tài)，但在神經(jīng)退行性疾病或環(huán)境壓力下會產(chǎn)生固體聚集體或凝膠。因此，關鍵問題是“什么分子特征導致凝膠化”？研究人員發(fā)現(xiàn)：具有短程吸引力的膠體在相分離時直接形成凝膠，而非通過液態(tài)，該發(fā)現(xiàn)有助于理解生物分子凝聚的物理機制。
