综述：胶体系统中粗糙颗粒的设计

这篇综述系统总结了胶体系统中粗糙颗粒相互作用的数值模拟方法，重点探讨了不同几何形状颗粒构建技术（如椭球体、棒状粒子）和粗糙表面建模方法（包括高斯/非高斯分布、分形理论）。文章创新性地对比了DLVO/XDLVO理论在粗糙表面体系中的适用性，提出了考虑表面形貌（surface morphology）和短程相互作用（如疏水作用）的改进模型，为胶体稳定性调控、膜污染控制等工业应用提供了重要理论指导。

　　

胶体系统中粗糙颗粒的设计

胶体系统的界面行为对工业生产和日常生活具有重要影响，从乳制品到石油开采，胶体颗粒的稳定性直接决定产品性能。传统研究多聚焦光滑颗粒，而实际体系中颗粒表面普遍存在纳米级粗糙结构，这对颗粒间相互作用产生显著影响。

数值模型构建方法

几何形状建模
非球形颗粒的构建需特殊数学表达：椭球体通过半轴参数控制形状，其相互作用强度显著高于球形颗粒；棒状粒子在长径比增大时会产生更高能垒；圆柱形颗粒则因取向不同呈现差异化的相互作用模式。超椭圆方程通过调节指数参数可实现从球体到立方体的连续转变，为复杂形状模拟提供通用框架。

粗糙表面生成技术
平面粗糙表面建模主要分为三类：

1. 规则阵列模型：通过正交阵列布置柱状突起，但无法反映自然表面的凹陷特征
2. 随机分布模型：

• 高斯表面采用快速傅里叶变换生成，但缺乏偏态控制
• 非高斯表面通过Johnson转换系统引入偏度和峰度参数

1. 分形模型：Weierstrass-Mandelbrot函数通过分形维数（D_f）和粗糙度参数（G）精确控制表面自相似性，最接近自然粗糙特征

球形粗糙表面则通过极坐标扩展平面建模方法，其中改进的分形函数能更好保持球面连续性。

相互作用理论的发展

经典DLVO理论的局限
该理论仅考虑van der Waals引力和双电层斥力，无法解释：

• 短程作用（如疏水效应）
• 表面形貌导致的接触面积变化
• 粗糙峰引起的势垒降低效应

XDLVO理论的拓展
通过引入酸碱（AB）相互作用项，将疏水作用量化为：
ΔG^AB = 2γ^LW√(ΔG₁^ABΔG₂^AB)
使理论预测与细菌吸附等实验数据的吻合度提升40%。

应用与挑战

工业应用价值

1. 膜技术：分形维数2.3-2.7的膜表面可减少30%污染物吸附
2. 矿物浮选：粗糙度增加使颗粒-气泡附着能降低15-20kJ/mol
3. 药物递送：棒状纳米粒比球形颗粒组织渗透率提高2-3倍

现存技术瓶颈

1. 多尺度建模：现有方法难以同时描述纳米级粗糙度和宏观形变
2. 动态相互作用：多数模型未考虑剪切流场等动态条件影响
3. 材料特异性：聚合物、金属等不同材质的表面能参数库尚不完善

未来发展方向包括开发融合机器学习的三维形貌重构算法，以及建立考虑表面形貌-流场耦合作用的新型本构方程。这些进步将推动胶体系统在能源、生物医药等领域的精准调控。