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一阴一阳之谓道:固体颗粒在流体界面的吸附现象

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知社学术圈2020-12-01 10:28
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微米或纳米级颗粒在流体界面上的吸附是一种极其常见的热力学自发过程,看似简单的现象,却在我们的日常生活和工业生产中发挥着十分重要的作用。

我们吃的冰淇淋、用的护肤品都离不开微纳米颗粒在流体界面的吸附与稳定作用。人类生存的环境本身就是一个“红尘世界”,空气中弥漫着数不清的各种各样的微纳米颗粒:有机的、无机的、有生命的、无生命的。细菌、病毒等也是以颗粒的形式存在。雾霾对人体的危害,是空气中的有害颗粒与人体粘膜相互作用的结果,细菌或病毒对人的感染过程也是如此。当然,另一方面,微纳米颗粒在流体界面的吸附也可被人们利用来制备新型功能材料。颗粒吸附之后,可显著地改变原流体界面的物理化学及力学性质。因而,以颗粒在流体界面的吸附为基础,可构成一系列功能软物质,包括颗粒泡沫、Pickering乳液、液滴微反应器等。甚至基于界面颗粒对外部物理场的响应特性,可以制备外场响应性的智能材料;利用微纳米颗粒在流体界面的自组装,可制备新型胶体晶体、功能超材料、柔性电子材料等。

迄今为止,胶体颗粒的合成方法日益成熟,颗粒在流体界面的原位表征技术也得到长足发展,因而,对固体颗粒在流体界面吸附的深层次科学问题进行研究恰逢其时。未来该领域的研究仍然存在着丰富的机遇和挑战,需要来自物理、化学、力学、材料等不同领域的研究人员进行多学科的合作,利用小颗粒,探索大学问,从而为推动软凝聚态物理和流体物理研究提供重要动力。

在此背景下,西北工业大学臧渡洋教授课题组近日在物理学权威刊物Reports on Progress in Physics(影响因子17.032,中科院JCR一区top期刊)发表了题为“Interfacial viscoelasticity and jamming of colloidal particles at fluid–fluid interfaces: a review”的综述文章。该文围绕胶体颗粒在流体界面的吸附现象,对界面颗粒的布朗运动、自组装、相变以及颗粒层的粘弹性进行了综述和探讨,对该领域的未来研究方向进行了展望。物理科学与技术学院博士生姬晓亮为论文的第一作者,臧渡洋教授为论文的通讯作者。北京工业大学王晓露博士和西安文理学院张永建副教授为论文的合作者。该工作得到了国家自然科学基金委、教育部和陕西省等科研经费的支持。

胶体颗粒构筑的不同种类软材料

微纳米颗粒与表面活性剂分子相类似,两者在流体界面的吸附均可改变流体的表面张力,但微纳米颗粒改变表面张力的机制更为复杂。当颗粒吸附于流体界面之后,由于颗粒表面缺陷的存在或表面润湿性的差异,在颗粒表面会形成不规则的三相接触线和弯月面,并常常进一步造成流体界面的变形。因此,如果用一双“纳米眼”去看载有微纳米颗粒的水面,你会发现,水面不但不是平的,甚至会像山路一样崎岖不平。这就使得界面颗粒之间除了存在范德华力、静电力等常规相互作用之外,还存在毛细作用力。因此,微纳米颗粒在流体界面的吸附,可造成相当复杂的流体表面应力,只能以张量的形式对其进行描述,远远超出了简单流体的表面张力概念。反过来,颗粒被流体界面捕获后,往往呈现出独特的动力学行为,比如界面布朗运动、颗粒在界面的迁移和自组装等。

胶体颗粒造成流体表面张力的各向异性及其张量形式

颗粒吸附于液滴表面,可以形成非常有趣的流体单元:液体弹珠。由于液滴表面颗粒层的存在,赋予液滴以独特的边界条件,使液滴内部具有新颖的流场,与外部环境具有理想的传热传质过程。因此,液体弹珠可作为微型的生化反应器,用于生化分析、细胞培养等。比如,在液体弹珠内成功实现了大鼠干细胞向心肌细胞的分化,整个过程避免了细胞的贴壁生长,呈现十分诱人的应用前景。

覆有纳米颗粒的液体弹珠内的细胞培养

值得指出的是,微纳米颗粒-流体复合界面具有一定的粘弹性,特别是具有一定的剪切性能。因此,微纳米颗粒常用于稳定流体-流体界面。比如纳米颗粒稳定的泡沫具有超常的稳定性,甚至可稳定存在半年以上而保持气泡不破裂。利用颗粒在界面的堵塞(Jamming),可对液滴或气泡进行形状塑造,不但可以形成非球形的液滴或气泡,还可以制备任意复杂形状的液滴,比如A-Z 26个英文字母形状的液滴。这为微尺度的材料加工制造提供了新的思路。

表面纳米颗粒将液滴塑造成26个字母形状

颗粒在流体界面的吸附现象,极其寻常却又十分复杂,其中涉及热力学与力学、软凝聚态物理和材料等不同学科的交叉。这当中最核心的问题是如何将载有颗粒的流体界面的宏观特性与胶体颗粒的吸附和润湿联系起来,如何将微纳尺度的热力学过程与宏观尺度的胶粒动态行为(扩散、迁移、自组装、界面弛豫等)联系起来。这显然具有极强的非线性和跨尺度的特征,要深入揭示颗粒界面吸附现象背后的科学机理,仍需要开展大量的实验、模拟和理论工作。

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