油水界面上膠體粒子相互作用機制的研究.pdf

1、Pickering乳液是通過分散在油水界面上的膠體粒子而穩(wěn)定的乳液，近年來作為膠體粒子的重要應用得到了越來越多的關注。例如，油漆的特性修飾、納米顆粒在醫(yī)藥靶向藥物釋放方面等。通過改變界面上膠體粒子間的相互作用，可以調(diào)節(jié)Pickering乳液穩(wěn)定性，并設計得到適合不同需要的穩(wěn)定的流體、凝膠和晶體;另一方面，由于膠體粒子同時在時間和空間尺度上便于直接利用普通光學顯微鏡進行實時原位觀察和追蹤，所以水平油水界面上的膠體粒子是用于研究凝聚態(tài)物理中

2、的問題的理想二維模型體系，例如二維擠阻轉(zhuǎn)變等。因此，深入理解界面上的粒子行為并闡明界面粒子間的相互作用是實施相關應用或開展相關基礎研究的前提。
　　Pieranski在氣水界面上觀察到膠體粒子間存在長程排斥力，并首次提出界面上膠體粒子間的偶極-偶極相互作用模型。隨后，Aveyard在實驗上證明當水相中含有高濃度的鹽時，界面上的膠體粒子之間仍然具有長程排斥力，且遠大于理論預測值，并推測這個額外排斥力來源于殘存小液滴上的剩余電荷。然而

3、，目前膠體粒子在界面上的諸多行為還不能被徹底理解，許多科學問題亟需闡明。
　　為了探索這些問題，本文主要進行了以下幾個方面的研究:
　　1.綜合運用多種基于顯微成像的先進技術，包括亮場成像和粒子追蹤技術、高速轉(zhuǎn)盤共聚焦成像、激光掃描共聚焦成像、顯微微注射以及顯微微電泳等技術，對分散在油水界面上膠體粒子的行為進行系統(tǒng)的研究。我們的研究發(fā)現(xiàn)膠體粒子在界面分散時，當粒子在接觸界面的瞬間，界面張力會導致粒子沿界面高速噴射;在此自發(fā)過

4、程中，粒子與界面的摩擦將產(chǎn)生電性為負的剩余電荷并累積在浸沒于油相中的粒子表面上。同時，這些剩余電荷不能長時間穩(wěn)定存在，它們會隨著時間的流逝在幾小時內(nèi)逐漸衰減為零。失去剩余電荷穩(wěn)定保護的膠體粒子間的排斥作用將大幅減弱，在水相有一定濃度電解質(zhì)存在的情況下，界面粒子將產(chǎn)生不可逆的聚集。基于摩擦起電這一物理現(xiàn)象，我們還通過建立模型描述上述界面粒子行為，即:對剩余電荷產(chǎn)生和消除的過程進行量化。
　　2.進一步研究使得粒子在界面上油相一側產(chǎn)生

5、剩余電荷的摩擦起電的情況。通過選取不同種類的膠體粒子，如高分子膠體粒子PMMA，金屬粒子金納米顆粒，生物膠體粒子綠膿桿菌，我們發(fā)現(xiàn)，除金屬粒子以外，其他粒子在界面上均表現(xiàn)出了摩擦起電導致的剩余電荷引導的排斥力。通過改變粒子分散液中分散劑的種類和濃度，如將分散液中異丙醇的濃度從1-20％連續(xù)變化，我們發(fā)現(xiàn)，隨著異丙醇濃度的增大，粒子在界面上的分散過程中發(fā)生的摩擦更加劇烈，繼而引導了更強的長程排斥力。為了與分散液分散方法對比，我們使用重水分

6、散法，即依靠浮力差分散膠體粒子，對粒子在界面的分散狀態(tài)進行了對比研究。實驗結果發(fā)現(xiàn)，粒子在油水界面上分散良好，且在接觸界面瞬間沒有產(chǎn)生摩擦。使用重水法分散的粒子不能在NaCl溶液/辛烷的界面上穩(wěn)定，沒有表現(xiàn)出剩余電荷作用。這些結果充分地證明了摩擦起電的猜想。
　　我們的系統(tǒng)研究顯示，膠體粒子在油水界面上的長程排斥力由兩部分組成，一是水相中可被電解質(zhì)屏蔽的偶極-偶極排斥作用，其大小不會隨時間變化;二是油相中不可被電解質(zhì)屏蔽的靜電排斥

7、作用。這個長程靜電排斥作用來源于通常使用的分散液分散法過程中粒子在接觸油水界面瞬間高速摩擦產(chǎn)生的剩余電荷，且大小會隨著剩余電荷的逐漸消散而減小為零。當使用重水分散法，可以避免粒子在界面發(fā)生摩擦，從而完全消除由剩余電荷引導的隨時間衰減的長程靜電排斥力。另外我們發(fā)現(xiàn)，粒子經(jīng)過摩擦產(chǎn)生剩余電荷，以及剩余電荷的消散具有普適性。該機制的闡明對許多研究具有廣泛的意義，例如，利用我們的方法可在流體界面上實現(xiàn)對絕緣的生物大分子（如DNA，蛋白質(zhì)或病毒顆