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黃渤海實驗室團隊在Angew. Chem. Int. Ed.發表研究成果:高界面活性雙子表面活性劑用于穩定、潤滑與結構化液體
2024-03-11 16:09

近年來,納米顆粒表面活性劑(一種由納米顆粒和聚合物/低聚配體在油/水界面協同組裝而成的復合物)的出現,為將液體形狀鎖定至非平衡狀態提供了可能性。納米表面活性劑通過在界面處造成干擾,使液體能夠通過3D打印或液體成型技術加工成各種各樣的幾何形狀,因而在制造適用于封裝、貨物運輸和微流體系統的復雜液體裝置方面表現出廣闊的應用前景。然而,上述結構化液體的能力通常很難由單分子表面活性劑復現,因為單分子表面活性劑通常只能在界面處形成柔軟且松散的單分子層,因而很難在極低界面張力下保持穩定。如果能夠使用單分子表面活性劑實現液體的形狀鎖定,它將為膠體與界面化學和材料科學提供有力的補充,為液體材料的成型加工和制造液體設備提供一種簡單且低成本的策略。此外,該結構化液體技術有望將液體潤滑劑的高表面潤濕性和鋪展性與固體潤滑劑的結構和形狀穩定性進行有效整合,繼而設計制備出能夠對各種復雜工況表現出極佳適應性的新型潤滑材料,在精細化工、芯片實驗室系統、微納器件和生物醫學等新興領域表現出良好應用前景。

  

針對上述問題,黃渤海實驗室膠體化工材料與技術團隊和綠色潤滑材料與技術團隊聯合報道了一種合成的水溶性兩性離子雙子表面活性劑,可作為納米顆粒表面活性劑的替代品用于穩定、結構化并額外地潤滑液體。通過在石蠟油/水界面產生與兩親性納米顆粒相當的高附著能,該表面活性劑能夠在自發吸附后獲得接近于0的界面張力和接近100%的表面覆蓋率。與納米顆粒表面活性劑不同的是,該單分子表面活性劑并不是通過在界面處造成干擾,而是在界面上形成了密堆積的結晶態單分子層,不僅能夠生成超穩定的乳液,而且可以借助擠出打印和3D打印技術將液體結構化為任意形狀?;诨撬岫嘶哪Σ粱瘜W反應,該表面活性劑還能夠賦予液體材料良好的潤滑功效與承載能力。相關研究可以為制造復雜的液體裝置和能夠結合液體和固體潤滑劑特性的新一代潤滑劑提供新的見解。

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1 高界面活性雙子表面活性劑在石蠟油/水界面的分子排布、界面張力與自組裝行為

 

高界面活性雙子表面活性劑通過在石蠟油/水界面產生高附著能,從而在石蠟油/水界面形成密堆積的結晶態單分子層。表面活性劑能夠在自發吸附后獲得接近于0的界面張力和接近100%的表面覆蓋率。

 

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2 利用高界面活性雙子表面活性劑將分散相油滴穩定為非平衡狀態

 

依靠高界面活性雙子表面活性劑在界面上形成的密堆積結晶態單分子層,能夠生成超穩定的乳液,且將液滴維持在非平衡狀態。

 

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3  高界面活性雙子表面活性劑水溶液在石蠟油中的擠出和3D打印

 

借助擠出打印和3D打印技術將液體結構化為任意形狀,證明單分子表面活性劑在制造適用于封裝、貨物運輸和微流體系統的復雜液體裝置方面也具有應用潛力。

  

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4  由高界面活性雙子表面活性劑穩定的液體潤滑劑的摩擦學性能及機理

 

基于高界面活性雙子表面活性劑的磺酸端基摩擦化學反應,該表面活性劑還能夠賦予液體材料良好的潤滑功效與承載能力,在較高載荷下仍能保持較低的摩擦系數和較小的磨損體積。

上述研究成果以“Highly Interfacial Active Gemini Surfactants as Simple and Versatile Emulsifiers for Stabilizing, Lubricating and Structuring Liquids”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed(期刊影響因子16.6)上。煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室為該論文的第一單位,閆福麗助理研究員為論文的第一作者,徐路研究員和郝京誠教授為論文的通訊作者。

以上研究得到了中國科學院高層次人才計劃項目、國家自然科學基金項目、煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室柔性引進項目、蘭州化物所特聘人才計劃項目、潤滑材料全國重點實驗室專項和山東省自然科學基金等項目的支持。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1002/anie.202318926



供 稿 / 閆福麗

編 輯 / 黃秋平

審 核 / 鄒   強  王  坤   郝京誠  徐  路  


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