胶体与蛋白质电荷斑块各向异性DLVO-like相互作用的统一理论框架

为解决电荷分布不均匀性导致的复杂静电相互作用问题，研究人员通过整合线性化Poisson-Boltzmann理论，建立了连接ICi（内部电荷）与CSp（带电壳）模型的统一框架。该研究通过单粒子表面电位匹配策略，实现了两种模型在宽参数范围内对Janus和triblock颗粒相互作用能量的定量吻合，为软物质和生物大分子组装提供了可靠且高效的计算方法。

　　

在软物质和生物体系中，静电相互作用是决定胶体颗粒和蛋白质行为的关键因素。传统理论常假设粒子表面电荷呈均匀分布，但实际系统中电荷往往呈现高度不均匀的“斑块”模式（patchiness）。这种电荷异质性不仅导致方向性相互作用，还能在相同电荷间产生吸引效应，对蛋白质聚集、液-液相分离等过程产生深远影响。然而，现有模型存在显著局限：基于离散内部电荷的ICi模型计算高效但难以描述复杂电荷分布；而连续表面电荷的CSp模型虽精确却计算成本高昂。更关键的是，不同模型的简化假设可能混淆真实物理效应与人为计算假象，阻碍了对电荷斑块体系组装的准确预测。

为突破这一瓶颈，奥地利科学基金和斯洛文尼亚研究机构支持的研究团队提出了一种创新理论框架。通过严格匹配单粒子表面电位，该研究首次实现了ICi与CSp模型在宽参数范围内的定量统一，相关成果发表于《Nature Communications》。研究采用线性化Debye-Hückel（DH）理论作为基础，通过多极展开技术解析静电势，并引入改进的等效电荷校正方法。对于Janus（二嵌段）和triblock（三嵌段）这两种典型不对称电荷分布体系，研究构建了独特的“取向路径”分析方法，系统比较了两种模型在不同屏蔽参数κR、斑块尺寸和净电荷条件下的相互作用能差异。

Reconsidering existing models of charged patchy particles
研究重新审视了两种主流模型：ICi模型将粒子视为不可渗透介质球，内部含离散点电荷{Z_i}；CSp模型则描述为可渗透球体，具有连续表面电荷分布σ(Ω)。通过引入广义等效电荷Z_i^*取代传统DLVO排除体积因子，ICi模型的精度显著提升。

Unifying different electrostatic models by matching single-particle potentials
核心创新在于建立两种模型的映射关系：要求ICi与CSp模型在粒子表面产生的静电势ψ完全匹配。数学上通过方程ψ^ICi|_r=R=ψ^CSp|_r=R实现，由此推导出表面电荷分布σ与内部电荷{Z_i}的泛函关系。

From potential-matching to pair interaction energy: homogeneously charged particles
在均匀带电球体验证中，该方法自动退化为经典DLVO排除体积因子，证实Q/Z=κRe^κR/[(1+κR)sinh(κR)]的严格数学关系，为各向异性体系奠定基础。

Orientational interaction landscapes of charged triblock and Janus patchy particles
针对三嵌段（quadrupolar）和二嵌段（dipolar）体系，研究设计了包含PP（极-极）、EP（赤道-极）等特征构型的取向分析路径。当κR<10时，两种模型相互作用能曲线几乎完全重合；仅在强屏蔽条件（κR≥10）下，高阶多极项差异导致PP构型出现约10%偏差。

From potential-matching to pair interaction energy: triblock and Janus particles
对于三嵌段粒子，调节偏心距ā=a/R可精确控制斑块尺寸θ₀（表面电势零点位置）。当净电荷比n=Z_tot/|Z_p|增加时，θ₀呈现非线性变化，且在n>3时可能完全消失。Janus体系则展现出更复杂的双分支能谱，净电荷会破坏反平行偶极构型（空星标记）的对称性。

该研究建立了电荷斑块体系静电相互作用的普适描述框架，其意义体现在三方面：方法论上，通过单粒子性质匹配实现多模型统一，解决了计算精度与效率的权衡难题；理论上，揭示了κR≥10时高阶多极项的关键作用，为强屏蔽体系建模提供指导；应用层面，为蛋白质粗粒化建模和定向自组装材料设计提供了可靠工具。特别是对病毒衣壳、淀粉样蛋白聚集体等生物分子体系，该框架能准确捕捉电荷异质性驱动的特异相互作用，有望促进新型生物材料的理性设计。