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

我的使命，是引導這些“面條俠”們，一個接一個地、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構。這聽起來像是用磁鐵吸附回形針一樣簡單，對吧？但當我真正潛入這個世界，我才發現，我面對的是一場史詩般的、在時間與能量維度上的“翻山越嶺”。

第一章：神秘的“排斥之墻”

起初，我以為這個過程會很快。你看，納米顆粒對聚合物末端有一種強大的“親和力”，就像磁鐵一樣，應該一靠近就吸住了。

但通過精密的儀器觀察和計算，我看到了一個奇怪的現象：聚合物們確實在努力地向納米顆粒靠近，可每當它們快要觸碰到表面時，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，再次被熱運動推過去，再次被彈開……如此循環往復，過程漫長到像一場永恒的拉鋸戰。

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，正是已經成功登陸的聚合物們共同構筑的“能量屏障”！

想象一下，一個擠滿了人的房間，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，你需要耗費極大的力氣才能擠進去。在納米世界，這就是“自由能勢壘”。聚合物必須依靠自身隨機熱運動積累的“爆發力”，一次性翻過這個勢壘的“山頂”，才能被顆粒表面強大的“親和力”捕獲，安穩“落戶”。

第二章：打造我的“時空望遠鏡”

問題的根源找到了，但新的難題接踵而至：這場“登山”過程太慢了！慢到從分子振動的皮秒，延伸到宏觀世界的數分鐘，時間跨度超過了13個數量級。這好比要求你用一個秒表，去測量一塊石頭的風化過程。傳統的計算機模擬，即便用上最厲害的超級計算機，也只能看到最初一瞬間的“起跑”，對于后面漫長的“攀登”，完全無能為力。

我們被困在了時間的峽谷里，看不到過程的終點。

必須想個新辦法！既然無法“實時跟拍”整個登山過程，我們能不能換個思路？不去追蹤每一個登山者的每一步，而是去精確地測繪出這座“山”本身的地形圖？

這個靈感，催生了我最重要的工具——“首通時間積分（IFS）”方法。它就像一臺為我量身定制的“時空望遠鏡”。

它的工作原理分三步：

實地勘測：我通過一種叫“約束模擬”的技術，像一個帶著測量儀的偵察兵，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”，標出“山”高和“山”寬。

計算耗時：有了地形圖，再結合聚合物的“移動速度”，我就能用一個可靠的物理公式（Kramers理論），算出成功“登頂”一次平均需要花費的時間，即“首通時間”。

推演全局：現實中，有“上山”就有“下山”（解吸附）。我的首通時間方法能同時計算這兩種速率，并通過巧妙的數學“積分”，最終推演出整個“登山定居”行動的全貌——有多少聚合物能成功，需要花多長時間。

我不再是旁觀者，我成了能預測未來的“先知”。

第三章：“時空望遠鏡”下的奇觀

當我第一次透過這臺“望遠鏡”看向納米世界時，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上。在一個立方體的“尖角”上，聚合物的定居密度，竟然是平坦表面的4倍以上！這就像水流總會尋找最深的溝壑匯集。這個發現完美地解釋了實驗中為何納米棒總喜歡“頭對頭”地連接——因為兩端吸附的聚合物最多，彼此的“黏性”最強。

我還將望遠鏡對準了更復雜的納米管道內部。在這里，我看到了相反的一幕：管道越細，內壁越“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，決定內部修飾效果的，最主要的就是管道的粗細本身。這為設計新型的過濾膜和藥物輸送系統提供了簡潔的指南。

第四章：來自現實世界的回信

當然，一個全新的理論，必須接受現實的檢驗。

對于矮小的“山丘”，我用傳統的計算機模擬全程跟蹤，結果與我的IFS預測完全吻合，第一步驗證成功了。

真正的考驗是那座“珠穆朗瑪峰”——一個實驗測得的、長達近200分鐘的漫長吸附過程。我將IFS預測的曲線，與實驗數據小心翼翼地進行比對……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。我的“時空望遠鏡”不僅看到了其他方法無法看到的遙遠風景，而且它看到的，就是真實存在的世界。

尾聲：未來的探險

現在，我和我的IFS望遠鏡，依然航行在廣闊的納米宇宙中。前方的未知領域還有很多：那些形狀更奇特的星形、刷形聚合物，它們會如何“翻山”？我們能否設計出能聽從光、溫度指令的“智能”納米材料？

在這片由分子和能量構成的微觀世界里，每一次“翻山越嶺”的探險，都讓我們離設計和創造未來新材料的目標更近一步。而這趟充滿驚喜的旅程，還遠未結束。

參考文獻：

[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

作者：湯啟云（東南大學）

監制：中國科普博覽