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南開大學史偉超研究員課題組 Macromolecules:揭示液滴界面液-液相分離的平衡態結構及動力學路徑
2023-10-23  來源:高分子科技

  液-液相分離是多組分體系中的常見物理現象,在生物系統和合成材料中起著重要作用。例如:在細胞膜表面,磷脂和生物大分子可以通過相分離形成功能化微區,在生命活動中傳遞信號和運送物質;在高分子乳液中,通過液-液相分離制備的各種復雜的納米粒子或膠囊可以負載物質進行控制釋放,在藥物輸送、食品和化妝品行業有廣泛應用。在過往的研究中,人們可以利用表面活性劑調控液滴的形狀和結構,表明界面作用十分重要,但是界面性質對液-液相分離熱力學平衡態結構的普適規律,特別是界面作用對相分離動力學路徑的影響,尚不清楚。


  近期,南開大學史偉超研究員課題組通過嵌段共聚物調節液滴的界面張力,研究了一系列高分子共混物在液-液界面的相分離行為,并結合熱力學分析模型,總結了界面張力與相分離平衡態結構的普適相圖,并進一步揭示了界面張力對相分離動力學路徑的影響機制。


  研究人員首先將聚己內酯(PCL)和聚乳酸PLA)溶解于二氯甲烷中,利用微流控加工技術將高分子共混溶液作為油相,形成了水//W/O/W乳液(圖1a)。通過控制二氯甲烷的緩慢揮發,液滴表面發生相分離,最終形成以PLA為殼,PCL為實心突起的眼球狀結構(圖1b-d,其中PCL在偏光下有明顯的光學雙折射。PCL含量變化時,液滴結構沒有變化,仍為眼球狀結構(圖1e)。


1. PCL/PLA雙乳滴的制備與相分離結構。(a)為玻璃毛細管裝置中雙乳液滴的制備。(b-d)為相分離后PCL/PLA的眼球狀液滴。(e)為不同PCL含量下相分離的液滴結構。


  加入PCL-b-PEG對液滴的界面張力進行調控,液滴可以最終形成眼球狀(圖2a)、Janus雙殼(圖2b)以及反眼球狀(圖2c)三種熱力學平衡態的結構。研究人員建立了液滴界面能的方程,指出相分離后的兩相界面張力的比值γBWAW決定液滴的熱力學平衡態結構,并利用Newmann三角張力分析測量出十多個不同體系的相對界面張力比值,建立了普適的相圖(圖2d),揭示出相分離體系的約化鋪展系數符合簡單的線性關系(圖2e)。


2. 液滴相分離的三種熱力學平衡態結構:眼球狀(a)、Janus雙殼(b)以及反眼球狀(c);液滴相分離的普適相圖(d);以及線性鋪展系數關系(e)。


  進一步,研究人員跟蹤了液滴界面相分離的動力學路徑,發現液滴可以通過聚沉(coalescence)或鋪展(spreading)兩種路徑形成眼球狀結構。但是對于Janus雙殼以及反眼球狀結構,相分離路徑包含兩個階段:首先通過聚沉或鋪展機理形成眼球狀結構,然后再通過反向鋪展形成最終的Janus雙殼以及反眼球狀結構(圖3),即相分離路徑需要經過“聚沉-反向鋪展(coalescence and inverse spreading)”或者“鋪展-反向鋪展(spreading and inverse spreading)”兩個階段。


3. 液滴相分離的熱力學路徑示意圖。


  最后,本研究探索了由于液滴揮發速率誘導的非平衡態相分離結構,并將液滴界面與平面基板上的相分離做了對比,強調了界面張力對于液滴界面相分離的主導作用。本研究有助于理解液滴界面上的液-液相分離行為,也為其它復雜體系的相分離行為研究提供了理論參考和分析依據。


  相關成果以Liquid-Liquid Phase Separation at Double Emulsion Interfaces: Equilibrium Structures and Dynamic Pathways為標題,發表在高分子領域權威期刊Macromolecules上。本論文的第一作者為南開大學化學學院2020碩士研究生趙月通訊作者為南開大學化學學院史偉超研究員。該工作得到了國家自然科學基金的支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01157


招生信息


  史偉超研究員課題組以高分子化學與物理為基礎,以多學科領域中的交叉研究為導向,應用國家大科學裝置實驗平臺,闡釋復雜體系中“化學組成--多相態結構--功能性質之間的關系。課題組招收2024級博士生1名,碩士生2


12024級學術型博士研究生1

  擬通過“申請-考核方式錄取。申請人應具備高分子物理或高分子化學科研背景,以及較高的英語閱讀寫作水平。已發表科研論文是加分項,但不是必須要求。優先考慮聚合物電解質研究方向、或在散射技術方面有較好研究基礎的申請人。具體申請要求請參見南開大學官網:https://chem.nankai.edu.cn/2022/1014/c24089a485729/page.htm


22024級學術型碩士研究生2

  擬通過本科生保送以及全國研究生招生考試錄取,歡迎同學聯系。

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(責任編輯:xu)
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