特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。随着对油水界面和乳液稳定性的深入研究，科学家们越来越关注在没有表面活性剂或其他添加剂的情况下，水滴在油中的稳定性问题。传统上，表面活性剂被认为是稳定油水乳液的关键成分，因为它们能够降低表面张力并防止液滴的聚合。然而，对于某些应用场景，例如在食品、医药或化妆品等领域，对表面活性剂的使用可能受到限制或不希望添加外部成分。近些年来，其中难题之一就是人们理解在没有表面活性剂的情况下，水滴如何在油中保持稳定。这涉及到理解油水界面的物理化学性质以及在这种环境下可能存在的相互作用。存在的问题包括在不使用表面活性剂的情况下，如何防止水滴之间的聚合以及如何保持乳液的稳定性。为了解决这些问题，一些科学家进行了关于油水乳液稳定性的研究，探索了可能的替代方法或机制，以实现无表面活性剂的稳定性。他们可能进行了实验研究，观察了油水界面的行为，并尝试开发新的理论模型来解释这种行为。有鉴于此，巴黎文理研究大学Jérôme Bibette教授课题组通过测量油水乳液在不同温度下的稳定性，并对其液体动力学进行分析，证明了在水滴之间形成的薄油膜具有异常高的粘度，这有助于防止水滴的聚合。这项研究的结果为在没有表面活性剂的情况下生产稳定的水在油中乳液提供了一种新的策略，并对乳液的稳定性机制提出了新的理解。相关成果发题为“Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil” 在Science顶刊。
研究内容
图1展示了甘油/PDMS油乳液中的粘附现象。在图中，（A）显示了大、稳定且紧凑的液滴团簇，这表明液滴之间存在粘附作用。通过实验证明，（B）中的双连体由一个液滴粘附在第二个液滴上，证实了液滴之间的吸引相互作用。通过激光照射液滴界面并分析干涉图案，（C）显示了油膜的横截成像，显示了形成的粘附斑块的大小约为50μm。这些结果表明，在甘油/PDMS油乳液中，液滴之间形成了稳定的粘附斑块。图1的结果为我们提供了关于甘油和PDMS油的界面行为的重要信息。这些信息有助于我们理解油水界面的稳定性和相互作用机制。通过对这些现象的深入研究，我们可以更好地设计和控制油水乳液的形成和稳定，为液滴分离和乳化过程提供新的思路和方法。这对于食品工业、化妆品、医药等领域的乳化和分离过程具有重要的应用意义。 图2揭示了浓缩甘油/PDMS-油乳液中液滴大小分布随时间的演变和随温度的变化。在图2A中，我们可以看到随着时间的推移，液滴的平均直径不断增加，而液滴的大小分布保持恒定的形状。而在图2B中，随着温度的升高，液滴的平均直径的增长速率明显增加。此外，在图2C中，通过Arrhenius图，研究者表明了聚合频率与温度的倒数之间的线性关系。这些实验结果表明，薄油膜的稳定性受到温度的影响，并且聚合频率服从Arrhenius行为。
接下来，图3探究了浓缩甘油/PDMS-油乳液中薄油膜的分子性质。在图3A中，通过图示展示了PDMS油与甘油界面之间的相互作用机制。研究者假设PDMS油的疏水基团特异性吸附在界面上，而氧的亲水性部分则优先吸附在甘油表面上，这导致了液滴之间的吸引力。在图3B中，通过T2弛豫时间分布的测量，研究者发现在乳液中存在两种类型的PDMS分子。其中一种类型的PDMS分子与薄油膜相邻，其动力学缓慢，而另一种类型的PDMS分子位于Plateau边界，其动力学更快。图3C进一步展示了Plateau边界的结构，其中PDMS分子被吸附在界面上或被限制在孔体积中。这些发现有助于我们更好地理解油水界面的行为，并为开发新型乳液提供了重要的参考和指导。 为了进一步研究不同油与水界面之间的相互作用，研究者进行了图4的实验研究，展示了不同油形成的乳液的特性。在图4中，研究者展示了使用不同油形成的稳定乳液的显微镜图像。首先，他们展示了甘油在羟基端PDMS油中形成的稳定乳液，j*高达80%，乳液保持了稳定性（图4A）。在稀释后，他们观察到了大而密集的聚集体的存在，这反映了更强的粘附作用（图4B）。当*增加到95%时，乳液在剪切作用下断裂为双重乳液（图4C）。接下来，研究者展示了使用丙烯酸植物油形成的乳液的显微镜图像，j*为70%（图4D）。在稀释后，观察到了较小的聚集体，反映了液滴界面之间较弱的粘附作用（图4E）。当j*为71%时，乳液断裂为双重乳液，其中水滴明显较大（图4F）。最后，研究者总结了不同油的临界水体积分数j和双重乳液中的甘油体积分数j*的值。这些实验结果揭示了不同油形成的乳液在稳定性和行为上的差异。通过比较不同油的特性，研究者可以更好地理解油水界面的相互作用机制，并为设计和制备稳定乳液提供重要线索。 研究结果揭示了在没有表面活性剂的情况下稳定水滴在油中的机制。此外，本文通过一步制备双重乳液来制备材料，展示了一种新的制备技术。当j超过j*时，乳液在剪切作用下断裂，形成双重乳液，而无需使用任何表面活性剂或任何溶剂。Claire Nannette et al. ,Thin adhesive oil films lead to anomalously stable mixtures of water in oil.Science384,209-213(2024).DOI:10.1126/science.adj6728
