金箔揭示了让世界紧密相连的神秘力量

在查尔姆斯理工大学的一间物理实验室里，博士生米凯拉·霍什科娃（Michaela Hošková）展示了这项实验装置。她手持一个玻璃容器，里面装着数百万悬浮在盐溶液中的微小金片。用移液管，她将一滴这种液体滴在置于光学显微镜下的镀金玻璃板上。几乎立刻，金片被吸向表面，但就在即将接触的瞬间停下，留下仅几纳米厚的极薄间隙。这些微小的空腔就像微型光陷阱，使光线来回反射，从而产生鲜艳的色彩。当用显微镜的卤素灯照射并通过光谱仪分析时，光线会分解成不同波长。在连接的显示器上，金片在表面移动时闪烁着红光、绿光和金光，并在这些颜色间变换。

利用被困在微小空腔中的光线研究“自然黏合剂”

“我们所观察到的是自然界基本力之间的相互作用。通过这些微小的空腔，我们现在能够测量和研究被称为‘自然黏合剂’的力——即在最小尺度上将物体结合在一起的力。我们无需干预正在发生的过程，只需观察金片的自然运动即可。”米凯拉·霍什科娃说道，她是查尔姆斯理工大学物理系的博士生，也是在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表该平台相关科学论文的第一作者。

这些纳米级空腔内的被困光线使科学家能够探索两种相互竞争的力之间的微妙平衡：一种将金片拉向表面，另一种将它们推开。被称为卡西米尔效应的吸引力使金片相互靠近并向基底移动；而盐溶液中带电粒子产生的静电排斥力则阻止它们完全黏合。当这些力达到完美平衡时，就会发生自组装过程，形成使这种现象可见的空腔。

“纳米尺度的力会影响不同材料或结构的组装方式，但我们仍未完全理解支配这种复杂自组装的所有原理。如果能完全理解，我们就能学会在纳米尺度上控制自组装。同时，我们还能深入了解这些原理如何支配更大尺度的自然界，甚至星系的形成。”米凯拉·霍什科娃补充道。

金片成为浮动传感器

查尔姆斯理工大学的研究人员开发的这个新平台，是物理系蒂穆尔·舍盖（Timur Shegai）教授研究团队多年工作的进一步发展。四年前，研究人员发现一对金片能形成自组装谐振器，如今他们已开发出研究各种基本力的方法。

研究人员认为，这种以自组装金片为浮动传感器的平台，在物理、化学和材料科学等多个不同科学领域都可能有用武之地。

“这种方法使我们能够研究单个粒子的电荷及其间的作用力。其他研究这些力的方法通常需要复杂的仪器，且无法提供到粒子层面的信息。”研究负责人蒂穆尔·舍盖表示。

可为从药物到生物传感器的诸多领域提供新知识

该平台的另一种重要用途（对许多技术的发展而言）是更好地理解液体中单个粒子如何相互作用——是保持稳定还是倾向于黏在一起。这能为药物在体内的传输路径、如何制造有效的生物传感器或水过滤器提供新见解，对不想结块的日常产品（如化妆品）也很重要。

“该平台能够研究基本力和材料特性，这显示出它作为一个极具前景的研究平台的潜力。”蒂穆尔·舍盖说。

在实验室里，米凯拉·霍什科娃打开一个装有平台成品样本的盒子。她用镊子夹起样本，展示其如何轻松放入显微镜。两块薄玻璃板固定了研究“自然隐形黏合剂”所需的一切。

“我觉得最令人兴奋的是，测量过程本身既美妙又简单。这种方法简便快捷，仅基于金片的运动以及光与物质的相互作用。”米凯拉·霍什科娃一边说，一边将显微镜对准一片金片，其颜色立即揭示了正在起作用的力。

研究人员如何研究“自然隐形黏合剂”

将约10微米大小的金片放入装有盐溶液（即含自由离子的水）的容器中。当一滴溶液滴在镀金玻璃基底上时，金片自然被基底吸引，形成100-200纳米大小的纳米空腔。自组装的发生源于两种力的微妙平衡：一种是可直接测量的量子效应——卡西米尔力（使物体相互吸引），另一种是盐溶液中带电表面间产生的静电力。

当简单的卤素灯照射这些微小空腔时，内部的光线就像被陷阱捕获一样。这使研究人员能够借助连接光谱仪的光学显微镜更仔细地研究光线。光谱仪分离光的波长，从而识别不同颜色。通过改变溶液的盐度并监测金片与基底距离的变化，就能研究和测量起作用的基本力。为防止含金片的盐溶液蒸发，将金片和盐溶液的液滴密封，然后用另一块玻璃板覆盖。

该平台是在查尔姆斯理工大学的纳米制造实验室（Myfab Chalmers）和查尔姆斯材料分析实验室（CMAL）开发的。

更多研究详情

这篇题为《卡西米尔自组装：一种测量液体中纳米尺度表面相互作用的平台》的科学论文已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。作者包括瑞典查尔姆斯理工大学物理系的米凯拉·霍什科娃、奥列格·V·科托夫（Oleg V. Kotov）、贝图尔·库楚克öz（Betül Küçüköz）和蒂穆尔·舍盖，以及美国伊利诺伊大学化学系的凯瑟琳·J·墨菲（Catherine J. Murphy）。

这项研究得到了瑞典研究委员会、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会、Vinnova中心2D-Tech以及查尔姆斯理工大学纳米优势领域的资助。