化学调控胶体自组装：电溶剂化力驱动的微观机制探秘

在物质溶液自组装研究中，电溶剂化力作用机制不明。牛津大学研究人员开展了关于电溶剂化力驱动胶体自组装化学调控的研究，发现其可受界面电解质结构影响。该研究为理解溶液中物质自组装微观机制提供了依据。

　　在微观的溶液世界里，物质的自组装现象无处不在且至关重要。像结晶过程中分子有序排列形成晶体结构，生物分子折叠成特定三维构象来执行生理功能，以及病理状态下蛋白质异常聚集引发疾病等，都与物质在溶液中的自组装密切相关。而这其中，各种相互作用扮演着关键角色。不过，在众多影响物质自组装的相互作用中，电溶剂化力（electrosolvation force）虽然独特且重要，但人们对其背后的物理化学原理却知之甚少，这使得精准调控该力成为一大难题。为了攻克这一难题，深入探究电溶剂化力的奥秘，英国牛津大学（University of Oxford）的研究人员展开了一系列深入研究 。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员主要运用了分子动力学模拟（MD simulation）和布朗动力学模拟（BD simulation）这两种关键技术。通过分子动力学模拟，研究人员能够从分子层面观察溶剂分子在界面的行为，获取界面处分子密度、取向以及总偶极矩密度等重要信息；布朗动力学模拟则帮助研究人员根据实验测量的径向概率分布函数，推断出粒子间的相互作用势，从而更好地理解粒子在溶液中的聚集行为。

研究结果具体如下：

• 电溶剂化力在多种溶剂中的表现：研究人员在多种质子性和非质子性溶剂中探究粒子间相互作用。在重水（D₂O）中，其与水性质相似，实验发现二氧化硅（SiO₂）粒子能形成稳定的六方密堆积（hcp）簇，符合界面溶剂化模型预期；在二甲基亚砜（DMSO）中，带正电的胺化二氧化硅粒子在特定 pH 范围内能形成簇，这与 DMSO 分子在界面的取向有关；在一系列伯醇中，带正电的 NH₂粒子容易自吸引形成晶体簇，而带负电的粒子则表现为排斥，且粒子间相互作用强度受质子浓度影响。此外，在乙二醇（EG）中，正负带电粒子均未显示出粒子间吸引力，可能是其界面偶极矩密度较小，不足以支持粒子聚集。
• 水 - 醇混合物对电溶剂化力的影响：研究人员考察了水和异丙醇（IPA）二元混合物中粒子的聚集行为。对于 NH₂粒子，在纯 IPA 中可形成稳定簇，加入少量水（≤10% v/v）不影响其聚集，但随着水含量增加，聚集逐渐受到抑制；对于带负电的粒子，在纯 IPA 中不聚集，随着水含量增加，逐渐形成稳定簇，且不同粒子发生聚集转变的水含量不同，这与表面化学对界面电解质组成和结构的影响有关。
• 电荷中性物种对电溶剂化力的影响：研究人员研究了两性离子渗透压调节剂和表面活性剂等电荷中性分子对粒子相互作用的影响。发现添加氨基酸会抑制粒子簇的形成，且抑制效果与氨基酸在二氧化硅表面的吸附亲和力有关，吸附越强，抑制粒子聚集所需的氨基酸浓度越低；对于甲基化两性离子如三甲基甘氨酸（TMG）和三甲胺 - N - 氧化物（TMAO），它们对粒子聚集的影响与氨基酸不同，TMG 和 TMAO 能增强界面水的氢键网络，使界面水的偶极矩密度增大，从而在较高浓度下仍能维持粒子间的吸引力。此外，非离子表面活性剂吐温 20（Tween 20）在低浓度（>1% w/v）时可消除二氧化硅粒子的稳定簇形成，而甘油在浓度≤1 M 时对粒子簇形成无明显影响。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过 40 多个不同实验实例表明，界面电解质结构性质与带电粒子间长程吸引力的存在与否密切相关。研究结果为电溶剂化力的起源提供了更深入的微观理解，揭示了利用低浓度中性小分子和表面活性剂调节长程吸引力的方法。这不仅对解释胶体悬浮液的稳定性具有重要意义，还可能为理解生化相互作用，如生物分子凝聚和蛋白质折叠等过程提供新的视角。不过，当前理论模型还存在一些不足，未考虑电解质中的长程效应以及粒子表面性质的异质性等因素，未来需要进一步改进理论模型，以更全面地解释实验现象，推动该领域的发展。