'''采用高分子溶液调控胶体悬浮液的稳定性'''高分子溶液，胶体悬浮液，高分子吸附和耗尽，平均场 [[ 理论 ]] ，蒙特卡洛模拟。

==应用领域 ：==

油漆和 [[ 食品科学 ]] 等胶体悬浮液

==成果简介 ：==

胶体悬浮液广泛存在于油漆 [[ 工业 ]] 、食品科学和细胞生物学等领域。添加高分子是调控胶体悬浮液的结构和稳定性的一种重要且有效的手段。其中，对由高分子介导的胶体粒子间的有效相互作用的认识是有效调控悬浮液稳定性的关键科学 [[ 问题 ]] 。在胶体极限下，胶体粒子的半径远大于高分子链的尺寸，此时可通过研究两个平行平板之间的相互作用力来理解胶体粒子间的相互作用。然而，由于该体系的多组分特性及随之带来的多重相互作用，对该问题的研究一直是高分子物理领域的重点和难点问题之一。 当高分子链和胶体粒子间没有吸引相互作用时，经典的Oosawa-Asakura理论预测高分子将诱导胶体粒子间出现一个耗尽吸引力（depletion-attraction）。该吸引力来源于由高分子链的构象熵所导致的两个胶体粒子之间的渗透压与溶液的渗透压的差别；该耗尽吸引力导致胶体悬浮液发生絮凝等相分离现象。然而，实验上还发现在高分子浓度较高时胶体悬浮液会重新变为均匀的溶液。对该现象的理解一直却存在争议。针对该问题， [[ 作者 ]] 和合作者通过发展巨正则系综Monte Carlo（MC）模拟新算法和自洽平均场理论，研究了处于无热高分子溶液中的两个非吸附平行平板之间的相互作用。发现MC模拟和自洽平均场理论都预测平板之间存在一个中程的排斥相互作用势。然而，随着链长的增加，自洽平均场理论所预测的排斥势垒逐渐变小，而MC模拟得到的势垒基本不变，并且后者要比前者大一个数量级。这表明自洽平均场理论所忽略的涨落在该体系中起着一个重要的作用。该MC模拟首次验证了Semenov和Obukhov在理论上预测的反卡西米尔效应。 由于溶剂质量是衡量高分子 [[ 溶液 ]] 的一个重要参数，作者和合作者进一步研究了处于不同溶剂质量（由Flory-Huggins作用参数c来表征）的高分子溶液中的两个平行平板之间的相互作用势的影响。首次发现，对于非吸附的胶体粒子，在本体溶液的临界点附近该相互作用势为纯吸引势且呈现长程作用范围的特点；这完全不同于远离临界点处的性质。这一现象为临界卡西米尔现象。该研究首次在高分子溶液中发现了临界卡西米尔现象。 另一方面，高分子单体和胶体粒子之间的相互作用（由参数e来表征）也是衡量高分子悬浮液的一个重要参数。作者进一步采用自洽平均场理论研究了高分子单体-平板相互作用参数e对单一平板附近的高分子吸附性质以及处于高分子溶液中的胶体相互作用力的影响规律。研究发现，在本体溶液的临界点处，随着e的不同，单一平板的高分子吸附呈现临界吸附（critical adsorption）和临界耗尽（critical depletion）的特点，对应的高分子吸附量分别发散为正无穷大和负无穷大；这完全不同于远离临界点的高分子吸附性质。而随着e的变化，平板间的相互作用力却呈现先减弱后增强的变化 [[ 规律 ]] ，与实验观测定性一致。 这一系列工作对于理解高分子溶液的吸附性质以及在调控胶体悬浮液的稳定性方面具有重要的意义。该系列工作分别发表于Macromolecules, 2019, 52, 5777−5790；2020, 53, 8883−8888；2021, 54, 3790−3799。

==经济效益与社会效益：== 胶体悬浮液在油漆和食品科学等领域具有重要应用，而如何实现稳定均匀存在的胶体悬浮液是一个重要且有挑战的问题。我们这一系列工作揭示了如何设计高分子的链长、溶剂质量等来调控胶体悬浮液的稳定性的新机理，从而可为相应的工业 [[ 应用 ]] 提供指导性的建议。