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。北京化工大学的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）