Взаимодействие между гелеобразованием и образованием стекла в коллоидах из силика наносфер

От повседневных жидкостей до скрытых твердых тел

От красок и косметических кремов до селей и медицинских гелей — многие знакомые материалы представляют собой на самом деле крошечные частицы, взвешенные в жидкости. В этом исследовании рассматривается одна такая система — суспензия нанометровых сфер диоксида кремния, известная как Ludox, — чтобы объяснить, почему одна и та же «жидкость» при разных условиях может вести себя как вода, как желе, а в конце концов как хрупкое стекло. Прослеживая, как частицы движутся, сцепляются и уплотняются друг к другу, авторы строят мост между тем, что происходит на наноуровне, и тем, как эти материалы текут, трескаются или затвердевают в наших руках и в геологических процессах.

Почему имеют значение крошечные частицы

Коллоидные дисперсии — это смеси, в которых твердые частицы, часто размером всего в миллиарды долей метра, взвешены в жидкости. Поскольку эти частицы настолько малы, тепловое броуновское движение со стороны молекул среды постоянно толкает их. В то же время силы между частицами — слабое притяжение и электрическое отталкивание — решают, будут ли они держаться раздельно, образовывать рыхлые скопления или замыкаться в жесткие каркасы. В Ludox частицы кремнезема несут электрический заряд, который препятствует их слипанию, но по мере уплотнения суспензии, например при сушке, концентрация растворенных солей растет и экранирует это отталкивание. Главный вопрос статьи — как постепенное изменение баланса сил превращает текучую жидкость в гель, а затем в стеклоподобное твердое тело.

Наблюдение за формированием сети

Исследователи используют подробные компьютерные моделирования, чтобы воспроизвести поведение суспензий Ludox при широком диапазоне концентраций частиц. Они отслеживают, как частицы располагаются в пространстве и насколько свободно могут перемещаться в длинные моменты времени. При относительно низких концентрациях частицы формируют рыхлые, удлиненные кластеры, которые не пронизывают весь образец; материал по-прежнему течет как густая жидкость. По мере добавления частиц и ослабления электрического отталкивания эти кластеры сливаются в единую связанную сеть, пронизывающую весь объем. Одновременно пустоты между частицами уменьшаются как в числе, так и в размерах, а число контактов на частицу приближается к уровню, необходимому для механической устойчивости. Это отмечает начало истинного гелеобразования: твердоподобной сети, удерживаемой многими крошечными обратимыми связями.

Замедление движения и приближение к стеклу

За пределами точки гелеобразования дальнейшее увеличение концентрации резко влияет на подвижность. Команда измеряет скорость диффузии частиц, отслеживая их среднее квадратичное смещение со временем. Они обнаруживают, что как только формируется система-пронизывающая сеть, движение частиц резко замедляется. При ещё больших концентрациях диффузия почти полностью останавливается. Карты индивидуальной подвижности частиц показывают участки более медленного и более быстрого движения — признак «динамической неоднородности», известной для стеклообразующих жидкостей. Статистические показатели подтверждают, что распределение смещений частиц становится сильно негауссовым, а характерное время релаксации, описывающее, сколько требуется для перестройки структур, растет на несколько порядков. В совокупности эти признаки указывают на непрерывный переход от мягкого геля к арретированному, стеклоподобному состоянию по мере возрастания уплотнения и связности.

Простое правило, определяющее образование гелей

Чтобы дать экспериментаторам практический инструмент, авторы сводят сложное взаимодействие концентрации частиц и электростатического отталкивания к одному безразмерному параметру, сравнивающему силу электрического отталкивания с тепловой энергией, масштабированной плотностью упаковки частиц. Когда они отображают данные по имитируемой диффузии против этого комбинированного параметра, результаты при многих различных условиях складываются на одну кривую. Это выявляет четкий порог: выше него частицы остаются диспергированными и материал ведет себя как жидкость; ниже него образуется перколирующая сеть и система становится гелем. То же масштабирование перестает работать, когда система переходит в стеклопреломленное состояние, где динамику диктует неоднородность, вызванная плотностью, но оно остается очень эффективным для описания жидкого и гелевого состояний.

От микроскопических сил к полезным материалам

Проще говоря, исследование показывает, что регулируя, насколько сильно силикаковые наночастицы электрически отталкиваются друг от друга, и насколько плотно они упакованы, можно плавно управлять переходом материала от жидкости к гелю и далее к стеклу. Образование непрерывной сети частиц сигнализирует о гелеобразовании, тогда как почти полное исчезновение свободного объема и появление вялого, неравномерного движения указывают на стеклообразную арретацию. Предложенное правило масштабирования превращает эти наблюдения в количественное руководство, помогая исследователям и инженерам проектировать коллоидные продукты, которые текут при необходимости, затвердевают по требованию и сопротивляются расколам под нагрузкой, управляя условиями, доступными в лаборатории и в промышленности.

Цитирование: Gerardi, G., Alba-Simionesco, C., Pépin, M. et al. Interplay between gelation and glass formation in silica nanoparticle colloids. Sci Rep 16, 10964 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45258-x

Ключевые слова: коллоидные гели, силикаковые наночастицы, стеклование, реология, электростатические взаимодействия