在納米世界“翻山越嶺”：我的微觀時(shí)空探險(xiǎn)記

我是一名物理學(xué)領(lǐng)域的探索者。但我的探險(xiǎn)地圖，畫的不是山川河流，而是肉眼完全看不見的納米世界。在這個(gè)世界里，沒有鳥語花香，只有無數(shù)永不停歇、劇烈運(yùn)動(dòng)的原子和分子。我最重要的伙伴，是一種叫做“聚合物”的長(zhǎng)鏈分子，它們就像一根根無比纖細(xì)、活力四射的意大利面條，在微觀的海洋中肆意舞動(dòng)。

我的使命，是引導(dǎo)這些“面條俠”們，一個(gè)接一個(gè)地、牢固地貼附到一種叫“納米顆粒”的小球上，搭建出各種功能神奇的納米結(jié)構(gòu)。這聽起來像是用磁鐵吸附回形針一樣簡(jiǎn)單，對(duì)吧？但當(dāng)我真正潛入這個(gè)世界，我才發(fā)現(xiàn)，我面對(duì)的是一場(chǎng)史詩般的、在時(shí)間與能量維度上的“翻山越嶺”。

第一章：神秘的“排斥之墻”

起初，我以為這個(gè)過程會(huì)很快。你看，納米顆粒對(duì)聚合物末端有一種強(qiáng)大的“親和力”，就像磁鐵一樣，應(yīng)該一靠近就吸住了。

但通過精密的儀器觀察和計(jì)算，我看到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：聚合物們確實(shí)在努力地向納米顆粒靠近，可每當(dāng)它們快要觸碰到表面時(shí)，就像撞上了一堵看不見的、軟綿綿的墻，被猛地彈開。它們不氣餒，再次被熱運(yùn)動(dòng)推過去，再次被彈開……如此循環(huán)往復(fù)，過程漫長(zhǎng)到像一場(chǎng)永恒的拉鋸戰(zhàn)。

這堵“墻”到底是什么？我百思不得其解。直到有一天，我恍然大悟：這堵墻，正是已經(jīng)成功登陸的聚合物們共同構(gòu)筑的“能量屏障”！

想象一下，一個(gè)擠滿了人的房間，你想從門口擠到最里面去。越是往里，周圍人給你施加的壓力就越大，你需要耗費(fèi)極大的力氣才能擠進(jìn)去。在納米世界，這就是“自由能勢(shì)壘”。聚合物必須依靠自身隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)積累的“爆發(fā)力”，一次性翻過這個(gè)勢(shì)壘的“山頂”，才能被顆粒表面強(qiáng)大的“親和力”捕獲，安穩(wěn)“落戶”。

第二章：打造我的“時(shí)空望遠(yuǎn)鏡”

問題的根源找到了，但新的難題接踵而至：這場(chǎng)“登山”過程太慢了！慢到從分子振動(dòng)的皮秒，延伸到宏觀世界的數(shù)分鐘，時(shí)間跨度超過了13個(gè)數(shù)量級(jí)。這好比要求你用一個(gè)秒表，去測(cè)量一塊石頭的風(fēng)化過程。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬，即便用上最厲害的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也只能看到最初一瞬間的“起跑”，對(duì)于后面漫長(zhǎng)的“攀登”，完全無能為力。

我們被困在了時(shí)間的峽谷里，看不到過程的終點(diǎn)。

必須想個(gè)新辦法！既然無法“實(shí)時(shí)跟拍”整個(gè)登山過程，我們能不能換個(gè)思路？不去追蹤每一個(gè)登山者的每一步，而是去精確地測(cè)繪出這座“山”本身的地形圖？

這個(gè)靈感，催生了我最重要的工具——“首通時(shí)間積分（IFS）”方法。它就像一臺(tái)為我量身定制的“時(shí)空望遠(yuǎn)鏡”。

它的工作原理分三步：

實(shí)地勘測(cè)：我通過一種叫“約束模擬”的技術(shù)，像一個(gè)帶著測(cè)量?jī)x的偵察兵，去感受聚合物在靠近顆粒表面每一步所受到的推力和拉力，從而繪制出精確的“能量地形圖”，標(biāo)出“山”高和“山”寬。

計(jì)算耗時(shí)：有了地形圖，再結(jié)合聚合物的“移動(dòng)速度”，我就能用一個(gè)可靠的物理公式（Kramers理論），算出成功“登頂”一次平均需要花費(fèi)的時(shí)間，即“首通時(shí)間”。

推演全局：現(xiàn)實(shí)中，有“上山”就有“下山”（解吸附）。我的首通時(shí)間方法能同時(shí)計(jì)算這兩種速率，并通過巧妙的數(shù)學(xué)“積分”，最終推演出整個(gè)“登山定居”行動(dòng)的全貌——有多少聚合物能成功，需要花多長(zhǎng)時(shí)間。

我不再是旁觀者，我成了能預(yù)測(cè)未來的“先知”。

第三章：“時(shí)空望遠(yuǎn)鏡”下的奇觀

當(dāng)我第一次透過這臺(tái)“望遠(yuǎn)鏡”看向納米世界時(shí)，眼前的景象讓我驚嘆。

我看到了曲率的魔力。在那些有棱有角的納米顆粒，比如立方體或者納米棒上，聚合物們并非均勻分布。它們像是有智慧一樣，特別喜歡聚集在曲率最高的角落和端點(diǎn)上。在一個(gè)立方體的“尖角”上，聚合物的定居密度，竟然是平坦表面的4倍以上！這就像水流總會(huì)尋找最深的溝壑匯集。這個(gè)發(fā)現(xiàn)完美地解釋了實(shí)驗(yàn)中為何納米棒總喜歡“頭對(duì)頭”地連接——因?yàn)閮啥宋降木酆衔镒疃啵舜说摹梆ば浴弊顝?qiáng)。

我還將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了更復(fù)雜的納米管道內(nèi)部。在這里，我看到了相反的一幕：管道越細(xì)，內(nèi)壁越“彎”，聚合物反而越難吸附，過程也越慢。仿佛在狹窄的山谷里攀登，四周的壓迫感令人窒息。而且，決定內(nèi)部修飾效果的，最主要的就是管道的粗細(xì)本身。這為設(shè)計(jì)新型的過濾膜和藥物輸送系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)潔的指南。

第四章：來自現(xiàn)實(shí)世界的回信

當(dāng)然，一個(gè)全新的理論，必須接受現(xiàn)實(shí)的檢驗(yàn)。

對(duì)于矮小的“山丘”，我用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬全程跟蹤，結(jié)果與我的IFS預(yù)測(cè)完全吻合，第一步驗(yàn)證成功了。

真正的考驗(yàn)是那座“珠穆朗瑪峰”——一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的、長(zhǎng)達(dá)近200分鐘的漫長(zhǎng)吸附過程。我將IFS預(yù)測(cè)的曲線，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小心翼翼地進(jìn)行比對(duì)……重合了！兩條曲線幾乎完美地重疊在一起！

那一刻，我無比激動(dòng)。我的“時(shí)空望遠(yuǎn)鏡”不僅看到了其他方法無法看到的遙遠(yuǎn)風(fēng)景，而且它看到的，就是真實(shí)存在的世界。

尾聲：未來的探險(xiǎn)

現(xiàn)在，我和我的IFS望遠(yuǎn)鏡，依然航行在廣闊的納米宇宙中。前方的未知領(lǐng)域還有很多：那些形狀更奇特的星形、刷形聚合物，它們會(huì)如何“翻山”？我們能否設(shè)計(jì)出能聽從光、溫度指令的“智能”納米材料？

在這片由分子和能量構(gòu)成的微觀世界里，每一次“翻山越嶺”的探險(xiǎn)，都讓我們離設(shè)計(jì)和創(chuàng)造未來新材料的目標(biāo)更近一步。而這趟充滿驚喜的旅程，還遠(yuǎn)未結(jié)束。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jiayu Zhang, Qiyun Tang, Barrier-limited surface modification of nanochannels via binding polymers, Phys. Rev. Mater., 8, 105602 (2024).

[2] Yifan Huang, Chuan Tang, Qiyun Tang, Heterogeneous binding of polymers on curved nanoparticles, Nanoscale, 16, 19806-19813 (2024).

[3] Qiyun Tang, Yifan Huang, Marcus Müller, Predicting protracted binding kinetics of polymers: Integral of first-passage times, Phys. Rev. E, 110, 044502 (2024).

[4] Qiyun Tang, Christian Rossner, Philipp Vana, Marcus Müller, Prediction of kinetically stable nanotheranostic superstructures: Integral of First-passage-times from constrained Simulations, Biomacromolecules, 21, 5008-5020 (2020).

出品：科普中國(guó)

作者：湯啟云（東南大學(xué)）

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