研究背景
界面水表現出豐富而復雜的行為，在化學、生物學、地質學和工程學中發揮著重要作用。然而，對于疏水界面處水的基本性質仍存在許多爭議，例如取向有序性、氫離子（H?O?）和氫氧根離子（OH?）的濃度、非正常氫鍵的存在以及是否存在強電場。這一爭議源于即使使用最先進的實驗技術和理論方法，也很難對界面體系進行測量。針對這一挑戰，哥倫比亞大學閔瑋教授、施立雪（現復旦大學研究員）課題組與加州大學伯克利分校Teresa Head-Gordon課題組合作在“Nature”期刊上發表了題為“Water structure and electric fields at the interface of oil droplets”的最新論文。在本研究中，研究者報道了一種溶液內、界面選擇性的拉曼光譜方法，該方法結合了多元曲線分解（MCR），用于探測水相中的十六烷乳液，并輔以單體場拉曼光譜理論模型。結果表明，油-水乳液界面具有較低的四面體結構有序性和較弱的氫鍵作用，同時存在大量自由羥基（OH）基團，其伸縮振動模式相比于平面油-水界面發生約 95 cm?1 的紅移。鑒于油滴已知的ζ電位特性9，研究者推測油相界面存在強電場（約 50–90 MV cm?1）。盡管該電場無法直接測量，但通過對照實驗和理論估算得到了間接支持。這些觀察結果在小分子溶質形成的分子疏水界面或平面油-水界面中要么不存在，要么呈現相反趨勢。相反，水的結構無序性和增強的電場成為油-水乳液介觀界面的獨特特征，并可能促進疏水-水界面處觀察到的加速化學反應。
研究亮點
(1) 本研究首次利用溶液內界面選擇性的拉曼光譜方法（Raman-MCR），結合單體場理論模型，對十六烷-水乳液體系進行了探測，獲得了乳液界面水的分子結構信息。(2) 通過 Raman-MCR 分析，實驗發現乳液界面處水的四面體有序性降低，氫鍵作用減弱，且存在大量自由羥基（OH）基團，其伸縮振動模式相較于平面油-水界面發生約 95 cm?1 的紅移。(3) 通過ζ電位測量和理論估算，研究推測乳液界面存在約 50–90 MV cm?1 的強電場，且降低ζ電位會減小OH伸縮振動的紅移，這進一步支持了該電場的靜電起源。(4) 研究發現，這些特性在小分子疏水界面或平面油-水界面中并不存在或表現出相反趨勢，而在乳液介觀界面處，水的結構無序性和增強的電場共同作用，可能解釋了疏水-水界面上觀察到的加速化學反應。
圖文解讀
結論展望
本研究揭示了油-水乳液界面的特殊水結構特性及其伴隨的強電場效應，為理解疏水界面的水分子行為提供了新視角。研究發現，乳液界面上的水分子具有較低的四面體有序性和較弱的氫鍵作用，并存在大量紅移的自由 OH 伸縮振動峰。這一現象不同于傳統平面油-水界面，表明介觀界面具有獨特的水結構和電荷特性。此外，實驗與理論計算表明，油滴表面帶負電，在界面處產生高達50–90 MV cm?1 的強電場，這可能源于界面氫氧根離子的富集或水-油間的非典型氫鍵作用。該強電場不僅影響界面水的結構，還可能極大地降低某些化學反應的活化能，使微液滴環境中的化學反應速率提高3–4個數量級。這一研究深化了對疏水界面水動力學和電荷分布的理解，并為調控界面化學反應和設計新型催化體系提供了重要理論指導。Shi, L., LaCour, R.A., Qian, N. et al. Water structure and electric fields at the interface of oil droplets. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y
