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北京化工大学Russell课题组Angew:如何操控液体形状?

一滴水是什么形状?大部分人估计会回答“水滴形”(囧~~)……抛开重力的影响,比如太空中,一滴水的形状会接近完美的球形。这一结果源自自然界最普遍的规律——表面张力使得液体变为体积相同情况下表面积最小的球形,从而实现最小的表面自由能。

太空中的水滴。图片来自网络


静态的水滴说完了,那么拧开的水龙头之后,动态的水流是什么形状?无外乎两个答案:如果开的大了,就是一条水柱;开的小了,就是一滴滴的水滴。流动的流体在重力作用下断裂成液滴的过程,被描述为Plateau-Rayleigh不稳定性。然而,聪明的你能否想到,水流也可能是水滴和水柱的结合体,比如下图的这种“蝌蚪”形状的液体?

图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


这种看似奇妙的形状,实际上也与表面张力有关。北京化工大学Thomas P. Russell教授(美国工程院院士)、王东(Dong Wang)教授、史少伟(Shaowei Shi)教授等研究者通过在油水界面处快速、可控的形成表面活性剂,改变界面的表面张力,从而影响液体的形状。这项有趣的工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上,博士研究生刘绪博(Xubo Liu)为第一作者。

Thomas P. Russell教授。图片来源:北京化工大学


研究者合成了带负电的磺酸化纤维素纳米晶(CNC),作为棒状的表面活性剂分散在水相中,在油相中分散了端基为胺基的聚苯乙烯(PS)分子。当水相注入油相中时,在合适条件下水相中的纤维素纳米晶能够扩散至液/液界面,与胺基化聚苯乙烯通过静电相互作用形成表面活性剂并组装成单层,从而稳定液体的形状,甚至形成有趣的“蝌蚪”形状。

表面活性剂形成并稳定液流的机理。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


有趣的是,这个过程可以通过水相的pH进行调控。当pH>5时,水相中的纤维素纳米晶与油相中的胺基聚苯乙烯的相互作用较弱,表面张力下降较小,因此对界面的稳定作用较弱;当pH<4时,二者相互作用增强,表面张力急剧下降;当pH<2时,水相注入油相时,水柱断裂形成液滴的趋势被完全抑制。另外,经测定,在pH = 3时表面活性剂在界面的覆盖率达到100%仅需15秒。

不同pH下表面张力的变化。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


(a)不同pH含CNC水相注入含PS-NH2的甲苯油相时的形状,(b)和(c)为含和不含CNC的水相注入含PS-NH2的甲苯油相的高速摄影(两图之间间隔4毫秒)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


除了pH的作用,油相中胺基化聚苯乙烯的分子量也对此过程有重要影响。聚苯乙烯分子量越高,对于液体的稳定效果越差,这是由于聚苯乙烯分子量越高胺基的相对密度较低,从而导致其向界面的扩散被抑制。当聚苯乙烯分子量达25 K和40 K时几乎没有界面活性。

聚苯乙烯分子量对于界面活性的影响。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


同样,液体的流动速度也会影响这一过程。当水相流速在1 mL/min时,会形成液滴;当水相流速在1.25-1.5 mL/min时,会形成“蝌蚪”状液体;当水相流速在1.75-2 mL/min时,只会是连续的管状液流。

不同流速下的液体形状。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


快速、可控的表面活性剂形成很大程度上提升了人们对于液体的操控能力,这项技术在未来可能被应用于与液体结构控制有关的领域之中,例如3D打印、全液体电池等等。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Liquid Tubule Formation and Stabilization Using Cellulose Nanocrystal Surfactants

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201706839


(本文由YHC供稿)


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