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  納米乳液在化妝品、食品、醫藥、石油開采及藥物遞送等領域具有廣泛應用，但其熱力學不穩定性導致的不可逆分解一直是制約其實際應用的難題，另外，傳統納米乳液制備通常依賴表面活性劑或高能耗機械方法。近日，香港城市大學朱平安教授與香港理工大學王立秋教授團隊受自然界云層動態平衡現象的啟發，提出了一種熱誘導納米乳化（Thermo-induced nanoemulsification, TINE）技術，通過簡單的加熱-冷卻循環實現了納米乳液的可逆生成與分解。這一成果發表在Matter上，為納米乳液的綠色、高效、可控制備提供了全新思路。

  在自然界的水循環中，云層的形成與消散展現著精妙的動態平衡。當暖濕氣流上升遇冷時，水蒸氣在凝結核表面凝結為微米級水滴，形成云層；而當溫度升高或濕度降低時，這些水滴又會重新蒸發為氣態。這種氣-液相變的可逆過程，啟發了這一最新研究。研究團隊發現，云層中水蒸氣與液滴的動態平衡與納米乳液體系具有深刻的相似性。正如大氣中水分子在氣液兩相間的循環轉換，他們設計的水-油體系通過精確控制溫度變化，實現了納米液滴的可逆形成與溶解（圖1）。在加熱階段（模擬氣流升溫），水相分子突破界面能壘"蒸發"進入油相；冷卻時（模擬高空低溫），這些分子在油相中過飽和析出，自組裝形成納米液滴。整個過程無需添加表面活性劑，僅通過熱力學調控即可實現乳化狀態的可逆切換，再次加熱時納米液滴會重新溶解，體系恢復未乳化狀態。

圖1. TINE技術的工作原理和表征結果。a) 示意圖顯示通過加熱-冷卻循環實現納米乳液的可逆形成與溶解過程；b) 實驗照片對比顯示初始透明的水-油體系冷卻后形成的乳白色納米乳液（右）和再次加熱后恢復的透明狀態（左）；c) 光學顯微鏡圖像顯示制備的納米液滴；d) 動態光散射分析顯示納米液滴的粒徑分布。

  研究團隊設計了對比實驗，考察不同容器材質（玻璃與聚合物）對乳化過程的影響。通過紅外熱成像技術實時監測發現，在玻璃容器中冷卻時，由于玻璃較高的熱導率，油相溫度（T_o）始終高于水相溫度（T_w），形成了必要的負溫度梯度（T_o > T_w）。這種特定的溫度分布促使水蒸氣在水-油界面區域優先成核，并通過擴散作用進入油相內部。數值模擬結果與實驗觀測高度吻合，從理論上闡釋了負溫度梯度對納米乳液形成的關鍵作用。

圖2. 納米乳液形成的條件。a) 玻璃容器中成功形成的納米乳液；b) 聚合物容器中未能形成納米乳液；c) 玻璃容器冷卻過程中的溫度變化曲線，顯示油相溫度（橙色）高于水相（紫色）；d) 聚合物容器中的相反溫度分布；e-f) 數值模擬展示不同容器中的溫度場分布；g) 納米液滴在油-水界面成核的示意圖；h) 液滴在界面處形成的全過程。

  作者定量研究了不同加熱溫度下的乳化行為。實驗數據顯示，當加熱溫度低于50℃時體系保持透明，無法乳化；在50-60℃區間出現相變；超過60℃后，乳化程度隨溫度升高而顯著增強。這一現象與水在油中溶解度的溫度依賴性直接相關。基于經典成核理論，研究團隊將界面熱毛細波與臨界成核半徑定量關聯，確定了熱誘導納米乳化過程的臨界溫度條件，理論預測與實驗結果高度吻合，為TINE技術提供了堅實的理論基礎。

圖3. 溫度調控的物理化學機制。a) 不同加熱溫度下納米乳液的形成情況，顯示50-60℃為臨界閾值；b) 納米液滴質量分數隨加熱溫度的變化關系；c) 成核溫度依賴加熱溫度的理論預測（曲線）與實驗結果（數據點）對比。

  研究發現，當體系在空氣中自然慢速冷卻（冷卻時間t_c≈522s）條件下，納米液滴尺寸受成核數量控制，隨加熱溫度升高而減小；而當體系在水中快速冷卻（冷卻時間t_c≈17s）時，液滴尺寸受蒸汽擴散過程控制，保持相對穩定。通過調節水油比例可以改變體系的冷卻速率，從而實現液滴尺寸精確調控。這些發現為納米乳液的可控制備提供了重要指導。

圖4. 納米液滴尺寸的精確調控。a) 空氣中緩慢冷卻時，液滴尺寸隨加熱溫度升高而減小；b) 水中快速冷卻時液滴尺寸保持穩定；c) 通過改變水油比例調控液滴尺寸（固定油相體積3 mL，水相體積1-5 mL）。

  TINE技術適用于包括石蠟油、硅油等多種油水體系，即使對于粘度高達3000 cSt的硅油仍能形成穩定納米乳液。在甲苯-水、二氯甲烷-水等高飽和蒸汽壓的油-水體系中，可以同時產生水包油（O/W）和油包水（W/O）兩種納米乳液，這種雙乳化現象在傳統方法中極為罕見。規模化實驗表明，該方法具有良好的擴展性，制備的納米乳液在長期儲存（16個月）后仍保持納米級特性。這些優異性能使TINE技術在智能材料、醫藥載體、食品加工等領域展現出廣闊的應用前景。此外，該技術可以利用低品位工業廢熱，同時在能耗方面（約10-103 W/kg）比傳統低能量納米乳液制備法降低至少兩個數量級，具有顯著的環保和經濟效益。

圖5. TINE技術的應用性能。a) 多種油水體系（石蠟油-水、十六烷-水、硅油-水）的乳化效果；b) 甲苯-水、二氯甲烷-水體系同時形成W/O和O/W兩種納米乳液；c) 高粘度硅油（3000 cSt）體系的乳化效果；d) 規模化制備展示（250 mL）；e) 長期穩定性測試顯示16個月儲存后液滴尺寸仍保持納米級（初始227 nm，儲存后469 nm）。

  論文全文免費訪問鏈接（有效期至2025年5月29日）：https://authors.elsevier.com/a/1kvD99CyxdAexy

  論文信息

  P. Zhu & L. Wang. Thermo-induced reversible nanoemulsification. Matter 8, 102103 (2025).

  https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(25)00146-8

  下載：Thermo-induced reversible nanoemulsificatio