特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。隨著對油水界面和乳液穩定性的深入研究，科學家們越來越關注在沒有表面活性劑或其他添加劑的情況下，水滴在油中的穩定性問題。傳統上，表面活性劑被認為是穩定油水乳液的關鍵成分，因為它們能夠降低表面張力并防止液滴的聚合。然而，對于某些應用場景，例如在食品、醫藥或化妝品等領域，對表面活性劑的使用可能受到限制或不希望添加外部成分。近些年來，其中難題之一就是人們理解在沒有表面活性劑的情況下，水滴如何在油中保持穩定。這涉及到理解油水界面的物理化學性質以及在這種環境下可能存在的相互作用。存在的問題包括在不使用表面活性劑的情況下，如何防止水滴之間的聚合以及如何保持乳液的穩定性。為了解決這些問題，一些科學家進行了關于油水乳液穩定性的研究，探索了可能的替代方法或機制，以實現無表面活性劑的穩定性。他們可能進行了實驗研究，觀察了油水界面的行為，并嘗試開發新的理論模型來解釋這種行為。有鑒于此，巴黎文理研究大學Jér?me Bibette教授課題組通過測量油水乳液在不同溫度下的穩定性，并對其液體動力學進行分析，證明了在水滴之間形成的薄油膜具有異常高的粘度，這有助于防止水滴的聚合。這項研究的結果為在沒有表面活性劑的情況下生產穩定的水在油中乳液提供了一種新的策略，并對乳液的穩定性機制提出了新的理解。相關成果發題為“Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil” 在Science頂刊。
研究內容
圖1展示了甘油/PDMS油乳液中的粘附現象。在圖中，（A）顯示了大、穩定且緊湊的液滴團簇，這表明液滴之間存在粘附作用。通過實驗證明，（B）中的雙連體由一個液滴粘附在第二個液滴上，證實了液滴之間的吸引相互作用。通過激光照射液滴界面并分析干涉圖案，（C）顯示了油膜的橫截成像，顯示了形成的粘附斑塊的大小約為50μm。這些結果表明，在甘油/PDMS油乳液中，液滴之間形成了穩定的粘附斑塊。圖1的結果為我們提供了關于甘油和PDMS油的界面行為的重要信息。這些信息有助于我們理解油水界面的穩定性和相互作用機制。通過對這些現象的深入研究，我們可以更好地設計和控制油水乳液的形成和穩定，為液滴分離和乳化過程提供新的思路和方法。這對于食品工業、化妝品、醫藥等領域的乳化和分離過程具有重要的應用意義。 圖2揭示了濃縮甘油/PDMS-油乳液中液滴大小分布隨時間的演變和隨溫度的變化。在圖2A中，我們可以看到隨著時間的推移，液滴的平均直徑不斷增加，而液滴的大小分布保持恒定的形狀。而在圖2B中，隨著溫度的升高，液滴的平均直徑的增長速率明顯增加。此外，在圖2C中，通過Arrhenius圖，研究者表明了聚合頻率與溫度的倒數之間的線性關系。這些實驗結果表明，薄油膜的穩定性受到溫度的影響，并且聚合頻率服從Arrhenius行為。
接下來，圖3探究了濃縮甘油/PDMS-油乳液中薄油膜的分子性質。在圖3A中，通過圖示展示了PDMS油與甘油界面之間的相互作用機制。研究者假設PDMS油的疏水基團特異性吸附在界面上，而氧的親水性部分則優先吸附在甘油表面上，這導致了液滴之間的吸引力。在圖3B中，通過T2弛豫時間分布的測量，研究者發現在乳液中存在兩種類型的PDMS分子。其中一種類型的PDMS分子與薄油膜相鄰，其動力學緩慢，而另一種類型的PDMS分子位于Plateau邊界，其動力學更快。圖3C進一步展示了Plateau邊界的結構，其中PDMS分子被吸附在界面上或被限制在孔體積中。這些發現有助于我們更好地理解油水界面的行為，并為開發新型乳液提供了重要的參考和指導。 為了進一步研究不同油與水界面之間的相互作用，研究者進行了圖4的實驗研究，展示了不同油形成的乳液的特性。在圖4中，研究者展示了使用不同油形成的穩定乳液的顯微鏡圖像。首先，他們展示了甘油在羥基端PDMS油中形成的穩定乳液，j*高達80%，乳液保持了穩定性（圖4A）。在稀釋后，他們觀察到了大而密集的聚集體的存在，這反映了更強的粘附作用（圖4B）。當*增加到95%時，乳液在剪切作用下斷裂為雙重乳液（圖4C）。接下來，研究者展示了使用丙烯酸植物油形成的乳液的顯微鏡圖像，j*為70%（圖4D）。在稀釋后，觀察到了較小的聚集體，反映了液滴界面之間較弱的粘附作用（圖4E）。當j*為71%時，乳液斷裂為雙重乳液，其中水滴明顯較大（圖4F）。最后，研究者總結了不同油的臨界水體積分數j和雙重乳液中的甘油體積分數j*的值。這些實驗結果揭示了不同油形成的乳液在穩定性和行為上的差異。通過比較不同油的特性，研究者可以更好地理解油水界面的相互作用機制，并為設計和制備穩定乳液提供重要線索。 研究結果揭示了在沒有表面活性劑的情況下穩定水滴在油中的機制。此外，本文通過一步制備雙重乳液來制備材料，展示了一種新的制備技術。當j超過j*時，乳液在剪切作用下斷裂，形成雙重乳液，而無需使用任何表面活性劑或任何溶劑。Claire Nannette et al. ,Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil.Science384,209-213(2024).DOI:10.1126/science.adj6728
