北京化工大學Russell課題組Angew：如何操控液體形狀？

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一滴水是什麼形狀？大部分人估計會回答「水滴形」（囧~~）……拋開重力的影響，比如太空中，一滴水的形狀會接近完美的球形。這一結果源自自然界最普遍的規律——表面張力使得液體變為體積相同情況下表面積最小的球形，從而實現最小的表面自由能。

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太空中的水滴。圖片來自網路

靜態的水滴說完了，那麼擰開的水龍頭之後，動態的水流是什麼形狀？無外乎兩個答案：如果開的大了，就是一條水柱；開的小了，就是一滴滴的水滴。流動的流體在重力作用下斷裂成液滴的過程，被描述為Plateau-Rayleigh不穩定性。然而，聰明的你能否想到，水流也可能是水滴和水柱的結合體，比如下圖的這種「蝌蚪」形狀的液體？

圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

這種看似奇妙的形狀，實際上也與表面張力有關。北京化工大學的Thomas P. Russell教授（美國工程院院士）、王東（Dong Wang）教授、史少偉（Shaowei Shi）教授等研究者通過在油水界面處快速、可控的形成表面活性劑，改變界面的表面張力，從而影響液體的形狀。這項有趣的工作發表在Angew. Chem. Int. Ed.雜誌上，博士研究生劉緒博（Xubo Liu）為第一作者。

Thomas P. Russell教授。圖片來源：北京化工大學

研究者合成了帶負電的磺酸化纖維素納米晶（CNC），作為棒狀的表面活性劑分散在水相中，在油相中分散了端基為胺基的聚苯乙烯（PS）分子。當水相注入油相中時，在合適條件下水相中的纖維素納米晶能夠擴散至液/液界面，與胺基化聚苯乙烯通過靜電相互作用形成表面活性劑並組裝成單層，從而穩定液體的形狀，甚至形成有趣的「蝌蚪」形狀。

表面活性劑形成並穩定液流的機理。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

有趣的是，這個過程可以通過水相的pH進行調控。當pH>5時，水相中的纖維素納米晶與油相中的胺基聚苯乙烯的相互作用較弱，表面張力下降較小，因此對界面的穩定作用較弱；當pH

不同pH下表面張力的變化。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

（a）不同pH含CNC水相注入含PS-NH2的甲苯油相時的形狀，（b）和（c）為含和不含CNC的水相注入含PS-NH2的甲苯油相的高速攝影（兩圖之間間隔4毫秒）。圖片來源：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對此過程有重要影響。聚苯乙烯分子量越高，對於液體的穩定效果越差，這是由於聚苯乙烯分子量越高胺基的相對密度較低，從而導致其向界面的擴散被抑制。當聚苯乙烯分子量達25 K和40 K時幾乎沒有界面活性。

聚苯乙烯分子量對於界面活性的影響。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

同樣，液體的流動速度也會影響這一過程。當水相流速在1 mL/min時，會形成液滴；當水相流速在1.25-1.5 mL/min時，會形成「蝌蚪」狀液體；當水相流速在1.75-2 mL/min時，只會是連續的管狀液流。

不同流速下的液體形狀。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

快速、可控的表面活性劑形成很大程度上提升了人們對於液體的操控能力，這項技術在未來可能被應用於與液體結構控制有關的領域之中，例如3D列印、全液體電池等等。

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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