近日，《Journal of Colloid and Interface Science》（胶体与界面科学杂志）上刊登了清华大学燃烧能源中心孙超课题组高雅温等人的研究工作，论文题目是 《无表面活性剂微乳液中离子环境调控的多尺度纳米域的成核及稳定性》(Ionic environment-modulated nucleation and stability of multiscale nanodomains in surfactant-free microemulsions)。
纳米液滴作为一种重要的分散体系，在石油开采、药物递送、化妆品制备等工业领域具有广泛应用价值。溶液环境参数对纳米液滴的成核与生长过程具有决定性影响，深入理解其动力学机制对于实现纳米液滴的可控制备具有重要指导意义。传统的微乳液通常依赖表面活性剂来稳定油水混合物，但无表面活性剂微乳液则提供了一种更环保、潜在更安全的替代方案。研究团队创新性地构建了由反式茴香脑（油相）、乙醇和水组成的三元无表面活性剂微乳液体系。研究采用自主搭建的纳米颗粒追踪分析系统（NTA, 图1）、动态光散射技术（DLS）和介电常数测量等多尺度表征手段，结合理论计算，系统揭示了离子环境（包括pH值和电解质浓度）对纳米液滴稳定性的调控机制。
图1. 自主搭建的纳米颗粒跟踪分析系统（Nanoparticle Tracking Analysis）
通过精确的三元相图构建与分析，在pre-Ouzo单相区成功观察到自发形成的多尺度纳米液滴。研究发现水包油（O/W）体系中纳米液滴尺寸分布范围从分子级纳米簇（约1纳米）到介观尺度液滴（约200纳米）；而油包水（W/O）体系中则主要观察到尺寸均一的纳米级结构/聚集体（约3纳米），且对pH调控表现出独特的高稳定性。
研究表明，近中性条件最有利于纳米液滴的成核与稳定（Zeta电位绝对值最大）；极端酸碱条件会显著降低纳米液滴表面电荷（Zeta电位趋近零），削弱液滴间的静电斥力，从而增强微乳液体系不稳定性。介观液滴随着酸碱性增强，尺寸增大，数量浓度降低（图2A）,促进了液滴的聚结和相分离。除了pH调控，研究还发现，氯化钠等强电解质的加入会导致“盐析效应”并削弱静电排斥，导致形成数量密度低的大尺寸液滴，进一步促进油水相分离。
研究团队通过实验验证了无表面活性剂微乳液体系中液滴随时间演化主要遵循奥斯特瓦尔德熟化机制（Ostwald Ripening），在设定的跟踪时间内实验测试与理论计算相吻合，高酸碱度值导致液滴具有较快的生长速率（图2B）。中性条件时，较多的界面电荷吸附形成的静电排斥可有效对抗拉普拉斯压力，降低生长速率，液滴增长缓慢。
这项研究不仅在理论层面深化了对纳米液滴稳定性调控机制的理解，也为药物溶解、化妆品制备、食品乳化、环境修复等相关领域中的纳米液滴可控制备提供了重要的理论指导和技术支持。
图2.酸碱调控对纳米液滴数量浓度的影响（A）；实验测量和理论计算分别获得纳米液滴生长速率随溶液环境调控的变化趋势。
该论文的第一作者为清华大学助理研究员高雅温博士，孙超教授和上海交通大学助理研究员厉明波博士为共同通讯作者，论文合作者还包括清华大学助理研究员陈昌盛博士。本研究工作得到了国家自然科学基金和中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院的资助支持。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002197972501224X
供稿：孙超教授团队
审核：刘有晟、游小清
