海歸學者發起的公益學術平臺
分享信息，整合資源
交流學術，偶爾風月
微米或納米級顆粒在流體界面上的吸附是一種極其常見的熱力學自發過程，看似簡單的現象，卻在我們的日常生活和工業生產中發揮著十分重要的作用。
我們吃的冰淇淋、用的護膚品都離不開微納米顆粒在流體界面的吸附與穩定作用。人類生存的環境本身就是一個「紅塵世界」，空氣中瀰漫著數不清的各種各樣的微納米顆粒：有機的、無機的、有生命的、無生命的。細菌、病毒等也是以顆粒的形式存在。霧霾對人體的危害，是空氣中的有害顆粒與人體黏膜相互作用的結果，細菌或病毒對人的感染過程也是如此。當然，另一方面，微納米顆粒在流體界面的吸附也可被人們利用來製備新型功能材料。顆粒吸附之後，可顯著地改變原流體界面的物理化學及力學性質。因而，以顆粒在流體界面的吸附為基礎，可構成一系列功能軟物質，包括顆粒泡沫、Pickering乳液、液滴微反應器等。甚至基於界面顆粒對外部物理場的響應特性，可以製備外場響應性的智能材料；利用微納米顆粒在流體界面的自組裝，可製備新型膠體晶體、功能超材料、柔性電子材料等。
迄今為止，膠體顆粒的合成方法日益成熟，顆粒在流體界面的原位表徵技術也得到長足發展，因而，對固體顆粒在流體界面吸附的深層次科學問題進行研究恰逢其時。未來該領域的研究仍然存在著豐富的機遇和挑戰，需要來自物理、化學、力學、材料等不同領域的研究人員進行多學科的合作，利用小顆粒，探索大學問，從而為推動軟凝聚態物理和流體物理研究提供重要動力。
在此背景下，西北工業大學臧渡洋教授課題組近日在物理學權威刊物Reports on Progress in Physics（影響因子17.032，中科院JCR一區top期刊）發表了題為「Interfacial viscoelasticity and jamming of colloidal particles at fluid–fluid interfaces: a review」的綜述文章。該文圍繞膠體顆粒在流體界面的吸附現象，對界面顆粒的布朗運動、自組裝、相變以及顆粒層的粘彈性進行了綜述和探討，對該領域的未來研究方向進行了展望。物理科學與技術學院博士生姬曉亮為論文的第一作者，臧渡洋教授為論文的通訊作者。北京工業大學王曉露博士和西安文理學院張永建副教授為論文的合作者。該工作得到了國家自然科學基金委、教育部和陝西省等科研經費的支持。
膠體顆粒構築的不同種類軟材料
微納米顆粒與表面活性劑分子相類似，兩者在流體界面的吸附均可改變流體的表面張力，但微納米顆粒改變表面張力的機制更為複雜。當顆粒吸附於流體界面之後，由於顆粒表面缺陷的存在或表面潤溼性的差異，在顆粒表面會形成不規則的三相接觸線和彎月面，並常常進一步造成流體界面的變形。因此，如果用一雙「納米眼」去看載有微納米顆粒的水面，你會發現，水面不但不是平的，甚至會像山路一樣崎嶇不平。這就使得界面顆粒之間除了存在範德華力、靜電力等常規相互作用之外，還存在毛細作用力。因此，微納米顆粒在流體界面的吸附，可造成相當複雜的流體表面應力，只能以張量的形式對其進行描述，遠遠超出了簡單流體的表面張力概念。反過來，顆粒被流體界面捕獲後，往往呈現出獨特的動力學行為，比如界面布朗運動、顆粒在界面的遷移和自組裝等。
膠體顆粒造成流體表面張力的各向異性及其張量形式
顆粒吸附於液滴表面，可以形成非常有趣的流體單元：液體彈珠。由於液滴表面顆粒層的存在，賦予液滴以獨特的邊界條件，使液滴內部具有新穎的流場，與外部環境具有理想的傳熱傳質過程。因此，液體彈珠可作為微型的生化反應器，用於生化分析、細胞培養等。比如，在液體彈珠內成功實現了大鼠幹細胞向心肌細胞的分化，整個過程避免了細胞的貼壁生長，呈現十分誘人的應用前景。
覆有納米顆粒的液體彈珠內的細胞培養
值得指出的是，微納米顆粒-流體複合界面具有一定的粘彈性，特別是具有一定的剪切性能。因此，微納米顆粒常用於穩定流體-流體界面。比如納米顆粒穩定的泡沫具有超常的穩定性，甚至可穩定存在半年以上而保持氣泡不破裂。利用顆粒在界面的堵塞（Jamming），可對液滴或氣泡進行形狀塑造，不但可以形成非球形的液滴或氣泡，還可以製備任意複雜形狀的液滴，比如A-Z 26個英文字母形狀的液滴。這為微尺度的材料加工製造提供了新的思路。
表面納米顆粒將液滴塑造成26個字母形狀
顆粒在流體界面的吸附現象，極其尋常卻又十分複雜，其中涉及熱力學與力學、軟凝聚態物理和材料等不同學科的交叉。這當中最核心的問題是如何將載有顆粒的流體界面的宏觀特性與膠體顆粒的吸附和潤溼聯繫起來，如何將微納尺度的熱力學過程與宏觀尺度的膠粒動態行為（擴散、遷移、自組裝、界面弛豫等）聯繫起來。這顯然具有極強的非線性和跨尺度的特徵，要深入揭示顆粒界面吸附現象背後的科學機理，仍需要開展大量的實驗、模擬和理論工作。