最新Science：無表面活性劑的油水混合

基礎化學告訴我們，不同的化合物，如油和水不能混合，當兩者一起劇烈搖動時，一種液體的液滴會在另一種液體內部形成，但當兩個液滴彼此靠近時，它們就不穩定了，會合并成一個液滴。當界面彼此靠近時，中間的流體層變得非常薄，每個界面上的熱誘導毛細波導致合并。這只能通過添加第三種成分（表面活性劑）來避免，表面活性劑會引起排斥相互作用，防止毛細波引起的自發合并，除了非常特殊的情況，如液晶乳液中的水，某些極稀的帶電體系，或者某些固有雜質可作為表面活性劑時。在這個背景下，是否存在一種不需要表面活性劑的方法來穩定油和水之間的界面？

巴黎文理研究大學Jér?me Bibette教授研究團隊在Science上發表了題為“Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil”的論文。他們觀察到無表面活性劑條件下水與油的混合，報道了一種聚合物油在水滴之間自發形成異常穩定的油薄膜。當油在水界面上的吸附較弱時，界面處的油分子與大體積油的相容性變差，導致兩個水滴之間的吸引力相互作用較弱，從而引起薄膜內油分子動力學的劇烈變化。即使在沒有表面活性劑或任何其他附加成分的情況下，水滴也可以在大的時間尺度上保持穩定。通過測量這種穩定性的溫度依賴性，結果表明，它是由于液滴之間的薄膠膜中的油的有效粘度比體積粘度增加了七個數量級。因此，在沒有表面活性劑的情況下，即使水的體積分數很高，也能產生穩定的油包水乳狀液。此外，由于這種意想不到的亞穩性，當水體積分數超過一個特征分數時，乳狀液在剪切作用下破裂，并自發形成由初級油包水分散體組成的雙乳狀液球。該項研究結果為在沒有表面活性劑的情況下生產穩定的水油混合乳液提供了一種新的策略，并給出了在沒有表面活性劑的情況下油中水滴穩定的機制。

圖1甘油/PDMS-油乳液中的黏附力? 2024 AAAS

圖2濃縮甘油/PDMS-油乳液的粗化? 2024 AAAS

圖3油分子在界面處的特異性吸附? 2024 AAAS

圖4不加表面活性劑的不同油形成的乳液? 2024 AAAS

該項研究的結果給出了在沒有表面活性劑的情況下油中水滴穩定的機制。通過探索不同油和水相互作用的特性，發現一些聚合油在與水界面接觸后能形成穩定的薄油膜，從而阻止水滴的凝聚。此外，該項研究結果也提供了一步制作雙乳液來配制材料的重要途徑。當水體積分數超過一定臨界值時，乳液在剪切作用下破裂，形成雙乳液，無需使用任何表面活性劑或任何溶劑。這一發現為制備高純度、可控性材料提供了重要途徑。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6728