當灰塵粘在表面或壁虎走過天花板時，這要歸功於科學家所說的“新陳代謝”。 “大自然的隱形膠水”瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員開發了一種快速簡便的方法來觀察將宇宙中最微小的物體粘合在一起的隱藏力。將黃金、鹽水和光結合起來。他們創建了一個特殊的平台，可以在其中以彩色圖案看到這些力量。
在查爾姆斯理工大學的一個物理實驗室中，博士生 Michaela Hošková 演示了這種方法。她拿著一個玻璃容器，裡面裝滿了數百萬個懸浮在鹽溶液中的微小金片。她用移液管將一滴這種液體滴到光學顯微鏡下的鍍金載玻片上。金片幾乎立即被拉向表面。但他們只是碰了一下就停下來了。這會產生非常薄的納米級間隙。這些微小的間隙充當微小的光陷阱。使光線來回反射並呈現出明亮的色彩。當用顯微鏡的滷素燈照射並通過光譜儀進行分析時。光被分成不同的波長。當鱗片在表面移動時，鱗片會發光並在紅色、綠色和金色之間變化。
利用光卡在微小空腔中研究“天然膠水”
“我們看到的是自然界中的基本力如何相互作用。通過這些微小的間隙，我們可以測量和研究我們稱之為‘水平力’的力。‘天然膠水’，它是將各種物體在最小的水平上粘合在一起的東西。我們不需要干預正在發生的事情。我們只需觀察薄片的自然運動，”查爾姆斯理工大學物理系博士生、科學論文的第一作者 Michaela Hošková 說道。 《PNAS》雜誌上的論文介紹了該平台。
限制在這些納米級空腔內的光使科學家能夠探索兩種競爭力之間的微妙平衡：一種力將薄片拉向表面，另一種力將它們彼此推開。這種吸引力稱為卡西米爾效應。這導致金片更加靠近並接近表面。鹽溶液中帶電粒子產生的相反靜電力。這將防止顆粒完全粘附。當這些力達到完美平衡時，就會發生一種稱為自組裝的過程。這會產生一個空腔，使這種現像變得可見。
“納米尺度的力會影響不同材料或結構的組裝方式。但我們仍然沒有完全理解控制這種複雜自組裝的所有原理。如果我們真正理解，我們就可以學會在納米尺度上控制自組裝。同時，我們可以深入了解這些相同的原理如何在更大的範圍內控制自然。甚至是星系的形成方式，”Michaela Hošková 說。
金片變成浮動傳感器
查爾姆斯理工大學研究人員的新平台是物理系 Timur Shegai 教授研究小組多年工作的進一步發展。四年前，人們發現一對金鱗片可以製造出一個自組裝諧振器。研究人員已經開發出研究基本力的方法。
研究人員認為，該平台具有自組裝金片，可充當浮動傳感器。它可用於許多不同的科學領域，例如物理、化學和材料科學。
“這使我們能夠研究單個粒子的電荷以及它們之間作用的力。研究這些力的其他方法通常需要復雜的儀器，而這些儀器無法提供低至粒子水平的信息，”主要作者 Timur Shegai 說。
它可以提供從藥物到生物傳感器的一切新知識。
使用該平台對於許多技術的發展很重要的另一種方法是更好地了解單個粒子如何在液體中相互作用。並保持穩定或傾向於粘在一起。通過提供關於藥物在全身的使用方式或如何創建高效的生物傳感器或濾水器的新見解，但對於您不想組合在一起的日常產品（例如化妝品）來說，它也很重要。
“該平台使我們能夠研究基本力和材料特性，這一事實證明了它作為一個真正有前途的研究平台的潛力，”Timur Shegai 說。
在實驗室中，Michaela Hošková 打開一個盒子，裡面裝有成品平台的樣品。她用鑷子夾起它，並展示了它是多麼容易插入顯微鏡。兩塊薄玻璃板裝有研究大自然隱形膠水所需的一切。
“最令我興奮的是，測量結果如此美麗和簡單。該方法簡單快速，僅依賴於金片的運動以及光與物質之間的相互作用，”Michaela Hošková 在放大金片顯微鏡時說道。它的顏色可以立即顯示所施加的力。
研究人員研究大自然的“隱形膠水”是如何產生的
將尺寸約10微米的金片放入裝有鹽溶液（即含有自由離子的水）的容器中。將一滴溶液滴在舖有金的玻璃表面上。薄片自然地被吸引到表面，並出現納米尺寸（100-200 nm）的空腔。自組裝是通過兩種力之間的微妙平衡而發生的：卡西米爾力；這是一種可直接測量的量子效應，導致物體相互吸引。以及鹽溶液中帶電錶面之間產生的靜電力。
當普通鹵素燈泡照射到小孔中時，內部的光就會被捕獲，就像陷入陷阱一樣。它允許研究人員使用連接到光譜儀的光學顯微鏡更仔細地研究光。通過改變溶液的鹽度並監測薄片如何改變其與基底的距離，光譜儀分離光的波長，從而可以識別不同的顏色。因此，可以在執行動作時研究和測量基本力。這是為了防止含有金片的鹽水溶液蒸發。將金片和鹽水滴密封，然後用另一塊玻璃片覆蓋。
該平台是在查爾姆斯納米製造實驗室、Myfab Chalmers 和查爾姆斯材料分析實驗室 (CMAL) 開發的。
有關該研究的更多信息
科學文章卡西米爾自組裝：測量液體中納米級表面相互作用的平台已發表在 PNAS（美國國家科學院院刊）– 由瑞典查爾姆斯理工大學物理系的 Michaela Hošková、Oleg V. Kotov、Betül Küçüköz 和 Timur Shegai 以及化學系的 Catherine J. Murphy 撰寫。美國伊利諾伊大學
該研究由瑞典研究委員會、克努特和愛麗絲·瓦倫堡基金會、Vinnova Center 2D-Tech 和查爾姆斯理工大學納米推進領域資助。
