由物理键如氢键、离子键、疏水作用力、π-π堆积等相互作用形成的可逆物理凝胶，由于其物理弱键的动态性和可逆性表现出一系列独特的性质，例如形状记忆性、自修复性、可回收性和黏附性，这与由共价键交联形成的化学凝胶形成鲜明对比。对于天然凝胶材料而言，其成分复杂，会同时包含由各类动态物理键构成的物理交联点和由化学共价键构成的化学交联点。因此，如何量化天然的复杂凝胶体系中物理键的强度和物理交联点的密度一直是软物质材料领域一个极具挑战的科学难题。
近日，在国家科技部，自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室贾迪课题组利用动态光散射技术（图a）揭示了复杂凝胶体系中物理弱键动态缔合-解离的多层级微观动力学普适性定律，并且发展了量化动态物理弱键的强度和凝胶中物理交联点密度的新型表征方法。他们与美国马萨诸塞大学阿默斯特分校高分子系的M. Muthukumar教授合作，M. Muthukumar教授发展的全新理论深入阐释了实验上所观测到的凝胶多层级微观动力学的物理本质（图b-c）。
研究人员利用动态光散射表征复杂凝胶材料体系，首次报道了动态可逆物理凝胶的动力学相关函数呈现出“stretched”指数衰减模式，且衰减指数β恒定为1/3，这是对过去五十年来传统化学凝胶的相关函数均呈现纯指数衰减这一结果的重要补充。当动态弱键在凝胶交联点中占主导时，会出现物理弱键的动态缔合-解离多层级微观动力学，这一微观动力学的集合行为在宏观上被放大为其动力学相关函数呈现出“stretched”指数衰减模式，且衰减指数β恒定为1/3，具有普适性（图d）。此外，其相关函数中的特征弛豫时间τβ与凝胶中动态物理键的键能正相关，因此可以通过特征弛豫时间τβ来量化凝胶中物理键的平均键能（图e）。反之，当化学共价键在凝胶交联点中占主导时，该多层级微观动力学就会消失，其相关函数会出现传统的纯指数衰减模式。
该新型多层级微观动力学定律对凝胶体系具有普适性，研究人员对各种复杂凝胶体系例如天然丝素蛋白凝胶、仿生黏液凝胶、DNA凝胶等进行动态光散射测试（图f），通过其相关函数是否呈现“stretched”指数衰减模式可以评估凝胶中的物理交联点密度，并通过其特征弛豫时间来量化凝胶中物理键的平均键能。
该工作对评估生命体系中凝聚态的动态弱键、设计可回收凝胶材料等具有重要指导意义。相关研究成果发表在Nat. Commun., 2025, 16, 3247。论文第一作者为化学所博士生赵怡慧，通讯作者为化学所贾迪研究员和美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的M. Muthukumar教授。
利用动态光散射揭示复杂凝胶体系中物理弱键动态缔合-解离的多层级微观动力学普适性定律
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58571-2
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