最新Science：无表面活性剂的油水混合

基础化学告诉我们，不同的化合物，如油和水不能混合，当两者一起剧烈摇动时，一种液体的液滴会在另一种液体内部形成，但当两个液滴彼此靠近时，它们就不稳定了，会合并成一个液滴。当界面彼此靠近时，中间的流体层变得非常薄，每个界面上的热诱导毛细波导致合并。这只能通过添加第三种成分（表面活性剂）来避免，表面活性剂会引起排斥相互作用，防止毛细波引起的自发合并，除了非常特殊的情况，如液晶乳液中的水，某些极稀的带电体系，或者某些固有杂质可作为表面活性剂时。在这个背景下，是否存在一种不需要表面活性剂的方法来稳定油和水之间的界面？

巴黎文理研究大学Jérôme Bibette教授研究团队在Science上发表了题为“Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil”的论文。他们观察到无表面活性剂条件下水与油的混合，报道了一种聚合物油在水滴之间自发形成异常稳定的油薄膜。当油在水界面上的吸附较弱时，界面处的油分子与大体积油的相容性变差，导致两个水滴之间的吸引力相互作用较弱，从而引起薄膜内油分子动力学的剧烈变化。即使在没有表面活性剂或任何其他附加成分的情况下，水滴也可以在大的时间尺度上保持稳定。通过测量这种稳定性的温度依赖性，结果表明，它是由于液滴之间的薄胶膜中的油的有效粘度比体积粘度增加了七个数量级。因此，在没有表面活性剂的情况下，即使水的体积分数很高，也能产生稳定的油包水乳状液。此外，由于这种意想不到的亚稳性，当水体积分数超过一个特征分数时，乳状液在剪切作用下破裂，并自发形成由初级油包水分散体组成的双乳状液球。该项研究结果为在没有表面活性剂的情况下生产稳定的水油混合乳液提供了一种新的策略，并给出了在没有表面活性剂的情况下油中水滴稳定的机制。

图1甘油/PDMS-油乳液中的黏附力© 2024 AAAS

图2浓缩甘油/PDMS-油乳液的粗化© 2024 AAAS

图3油分子在界面处的特异性吸附© 2024 AAAS

图4不加表面活性剂的不同油形成的乳液© 2024 AAAS

该项研究的结果给出了在没有表面活性剂的情况下油中水滴稳定的机制。通过探索不同油和水相互作用的特性，发现一些聚合油在与水界面接触后能形成稳定的薄油膜，从而阻止水滴的凝聚。此外，该项研究结果也提供了一步制作双乳液来配制材料的重要途径。当水体积分数超过一定临界值时，乳液在剪切作用下破裂，形成双乳液，无需使用任何表面活性剂或任何溶剂。这一发现为制备高纯度、可控性材料提供了重要途径。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6728