固液界面超小水滴的制备与表征

There would be an interface for any material with boundaries. The study of interfaces not only broadens our knowledge on natural phenomena, but also directs practical applications. In our daily life and work, multiphase are normally involved. In terms of the water/oil/solid three interfaces, the applicant first reported the spontaneous formation of ultrasmall droplets at the solid-liquid interface: water molecules past through immiscible oil phase, reaching the underlying solid substrate surface, spontaneously forming micro-nano scale water droplets at the oil-solid interface. Although the classical thermodynamics cannot explain the reason of spontaneous formation of interfacial droplets, nor where the energy of forming a new interface between oil and solid phases comes from, this phenomenon has a certain universality. The history of the investigation of ultrasmall droplets at the solid-liquid interface is short, involving multiphase and asymmetric mass transportation across interfaces, therefore, controllable preparation and characterization are desperately needed to be established but full of challenges. In this application, we propose to study the "Preparation and characterization of ultrasmall droplets at the solid-liquid interface", so as to set up a systematic, effective methods for preparation and characterization of interfacial ultrasmall droplets, providing a platform to further unravel the mechanism of formation of ultrasmall droplets at the solid-liquid interface, build theoretical model and explore the applications.

任何有边界的材料都存在界面，对于界面的研究不仅能够丰富我们对自然现象的认知，还能够指导实际生产应用。在日常生活和工作中，往往涉及多相界面，其中对于水/油/固三相界面，申请人首次报道了固液界面超小水滴“反常”形成现象：水分子穿过与其不互溶的油相，抵达疏水固体基底表面自发形成微纳尺度的水滴。尽管经典热力学无法解释界面超小水滴自发形成的原因，以及在油固两相之间产生新界面的能量从何而来，但此现象确实具有一定的普适性。固液界面超小水滴研究历史短，又因其涉及多相界面以及跨界面非平衡输运等复杂因素，因此可控的制备和精准的表征方法亟待建立且充满挑战。在本项目中，我们提出“固液界面超小水滴的制备与表征”的研究课题，以期建立一套系统、有效的界面超小水滴制备方法和表征手段，为揭示固液界面超小水滴形成机制、构建理论模型以及探索应用提供平台。

相与相的交界会产生界面，材料在界面处的性质与内部本体有极大差别。因此研究表界面特性，无论在理论还是在实际应用中都具有重要意义。本项目聚焦水/油/固三相界面，针对在油/固界面水滴自发生长这一“反常”现象进行探究。首先，通过系统表征固相、油相和水相对界面水滴形成的影响，首次提出固体基底表面zeta电位和氢键作用是决定水滴生长的关键因素，从而揭示界面水滴生长的内在机理。并且结合微接触印刷技术将固体基底表面化学图案化，成功地对界面水滴的形成、形貌和位置进行调控。其次，通过增大水相渗透压，研究界面水滴消失过程，以其为模型构建界面水滴消失的动力学模型，并反推界面水滴生长的动力学模型。发现诱导界面水滴形成所需的化学势非常小，另外，通过解离模型推测固体基底表面存在可解离基团所产生的驱动力足以诱导界面水滴的形成。合理解释了界面水滴为什么易成核和生长，以及在油/固界面自发形成水滴现象并不反常。最后，利用Voronoi Diagram统计方法分析界面水滴的生长过程和空间分布，发现界面水滴不是同时成核，不同阶段所形成的水滴之间存在竞争，导致界面水滴尺寸分布不均匀。该统计模型不仅定量分析了在不同固体基底上，界面水滴形成的特点，还根据统计数据反推目前表征手段所不能监测到的水滴最初成核期，加深了我们对多相体系的理解。以上工作不仅建立了一套系统、有效的界面水滴制备方法和表征手段，还揭示了界面水滴形成机制，构建理论和分析模型。在多相界面研究提供了新体系和新方法，有望在水的运输、油水分离石油乳化和开采等应用方面起到指导作用。项目执行期间，共发表文章4篇，部分成果已在撰写和投稿中，相关工作继续开展。