油水界面上膠體粒子相互作用機(jī)制的研究.pdf

1、Pickering乳液是通過(guò)分散在油水界面上的膠體粒子而穩(wěn)定的乳液，近年來(lái)作為膠體粒子的重要應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)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(guò)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(shè)計(jì)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(shí)在時(shí)間和空間尺度上便于直接利用普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wèn)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(shí)施相關(guān)應(yīng)用或開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究的前提。
　　Pieranski在氣水界面上觀察到膠體粒子間存在長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)上證明當(dāng)水相中含有高濃度的鹽時(shí)，界面上的膠體粒子之間仍然具有長(zhǎng)程排斥力，且遠(yuǎn)大于理論預(yù)測(cè)值，并推測(cè)這個(gè)額外排斥力來(lái)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(xué)問(wèn)題亟需闡明。
　　為了探索這些問(wèn)題，本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究:
　　1.綜合運(yùn)用多種基于顯微成像的先進(jìn)技術(shù)，包括亮場(chǎng)成像和粒子追蹤技術(shù)、高速轉(zhuǎn)盤(pán)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(shù)，對(duì)分散在油水界面上膠體粒子的行為進(jìn)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(shí)，當(dāng)粒子在接觸界面的瞬間，界面張力會(huì)導(dǎo)致粒子沿界面高速?lài)娚?在此自發(fā)過(guò)

4、程中，粒子與界面的摩擦將產(chǎn)生電性為負(fù)的剩余電荷并累積在浸沒(méi)于油相中的粒子表面上。同時(shí)，這些剩余電荷不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在，它們會(huì)隨著時(shí)間的流逝在幾小時(shí)內(nèi)逐漸衰減為零。失去剩余電荷穩(wěn)定保護(hù)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?；谀Σ疗痣娺@一物理現(xiàn)象，我們還通過(guò)建立模型描述上述界面粒子行為，即:對(duì)剩余電荷產(chǎn)生和消除的過(guò)程進(jìn)行量化。
　　2.進(jìn)一步研究使得粒子在界面上油相一側(cè)產(chǎn)生

5、剩余電荷的摩擦起電的情況。通過(guò)選取不同種類(lèi)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(dǎo)致的剩余電荷引導(dǎo)的排斥力。通過(guò)改變粒子分散液中分散劑的種類(lèi)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(guò)程中發(fā)生的摩擦更加劇烈，繼而引導(dǎo)了更強(qiáng)的長(zhǎng)程排斥力。為了與分散液分散方法對(duì)比，我們使用重水分

6、散法，即依靠浮力差分散膠體粒子，對(duì)粒子在界面的分散狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(méi)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(méi)有表現(xiàn)出剩余電荷作用。這些結(jié)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(zhǎng)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(huì)隨時(shí)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(gè)長(zhǎng)程靜電排斥作用來(lái)源于通常使用的分散液分散法過(guò)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(huì)隨著剩余電荷的逐漸消散而減小為零。當(dāng)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(dǎo)的隨時(shí)間衰減的長(zhǎng)程靜電排斥力。另外我們發(fā)現(xiàn)，粒子經(jīng)過(guò)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(jī)制的闡明對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣的生物大分子（如DNA，蛋白質(zhì)或病毒顆