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膠體粒子可溶于液體或吸附于液體的表面，這不僅是常見的自然現(xiàn)象，還被廣泛應用于物理、材料和化學等領域，因此，對膠體粒子的研究具有重大的科學意義。1980年，美國科學家Pieranski利用光學顯微鏡觀測膠體粒子的二維結晶過程時，發(fā)現(xiàn)在有限范圍的液面上布置一定量的膠體粒子時，在庫倫相互排斥作用下它們會形成有序和晶態(tài)的陣列。在之后的研究中，科學家們不斷發(fā)現(xiàn)膠體粒子在沒有外力的作用下也會自發(fā)形成長程有序的亞穩(wěn)態(tài)排列。

眾所周知，在經典庫倫定律下，帶有同種電荷的粒子之間相互排斥；然而實驗中觀測到膠體粒子長程有序的排列說明它們之間存在著長程的相互吸引力。顯然，這一物理現(xiàn)象無法用經典的靜電理論進行全面的解釋。從上世紀80年代開始，圍繞這一長程作用力的來源，全世界科學家們開展了不懈的實驗和理論研究，但至今對于其內在的物理機制仍有很大的爭議，實驗和理論之間也存在諸多分歧。

概括而言，造成這一看似簡單卻長期困擾科學家的物理難題的主要原因是：對于液體界面處的微觀物體，我們所能使用的研究手段是很有限的（比如，常用的電子顯微鏡和原子力顯微鏡都很難在液面上開展測量）。

在這項研究中，陳剛課題組首次將同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術應用于膠體粒子在氣液界面處的自組裝研究（如圖1所示）。這一方法不但可以原位地跟蹤觀測膠體粒子在界面內的結構演變過程，同時可以跟蹤測量其相對于界面的位置和結構的變化。通過這一研究，研究人員觀測到膠體粒子在氣液界面處從無序的分散狀態(tài)，經過多個亞穩(wěn)態(tài)，最后形成穩(wěn)定的二維六角密排的超晶格結構的過程。在這一過程中，他們意外發(fā)現(xiàn)，隨著膠體粒子之間相互靠近，它們在液體中的浸潤深度（或接觸角）發(fā)生了變化。這一突破性的發(fā)現(xiàn)是之前的研究沒有也無法實現(xiàn)的。

圖1:X射線表面掠入射小角散射實驗布局和原理圖

由于膠體粒子浸潤深度的變化，使其周圍液面發(fā)生形變形成凹面，當相鄰粒子之間的凹面相互重疊時會產生毛細力，而這一由液面彎曲形成的毛細力正是導致帶相同電荷的膠體粒子之間長程相互吸引的真正原因。為了進一步分析膠體粒子之間的相互作用勢，研究人員進行了完整的有限元分析與模擬。至此，一個曾經困擾全世界科學家們將近四十年的謎題得以破解。

圖2: 膠體粒子在界面處的形貌和相互作用力的分析