香港中文大学魏涛团队讲述胶体颗粒在界面的故事
第一作者：孙冠卿
通讯作者：魏涛
通讯单位：1. 江南大学合成与生物胶体教育部重点实验室；2. 香港中文大学化学系
注：此综述是“胶体与界面化学前沿特刊”邀请稿，客座编辑：山东大学郝京诚教授。
引用信息
孙冠卿, 易宗霖, 魏涛. 胶体颗粒稳定的界面及胶体颗粒在界面的相互作用. 物理化学学报, 2020, 36 (10), 1910005.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201910005
Sun, G. Q.; Yi, Z. L.; Ngai, T. Particle-Stabilized Interfaces and Their Interactions at Interfaces. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (10), 1910005.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201910005主要亮点
胶体颗粒在界面的吸附这一物理现象触及到了胶化领域的核心问题，即胶体颗粒和两相界面的基本性质。胶体颗粒在液-液界面和气-液界面的吸附是涉及到胶体颗粒从其分散相中吸附到界面上的动力学过程和胶体颗粒在界面上的相互作用。在本文中，我们系统地回顾了该领域内的研究，探讨了胶体颗粒在界面上的吸附及其在相关领域的应用，展望了在理论方面和应用层面未来的研究方向。
研究背景：意义、现状
胶体颗粒稳定的分散体系如乳液、泡沫和气泡等体系在众多研究领域吸引了越来越多的关注。胶体颗粒的吸附机理、油-水界面和气-水界面的胶体颗粒稳定机制以及吸附于界面的胶体颗粒乳液相互作用对这些分散体系的实际应用至关重要。胶体颗粒对界面的稳定作用和胶体颗粒之间的相互作用前沿研究领域内，仍然存在众多亟待研究的问题。系统研究胶体颗粒在界面的吸附，阐明胶体颗粒在界面上的相互作用，对于以该现象为基础的工业应用具有至关重要的作用。
核心内容
1. 胶体颗粒及其在界面吸附的研究回顾
1861年, 英国科学家托马斯·格雷厄姆(Thomas Graham) 根据希腊语中的名词(胶水)创造了英语中的胶体(colloid) 一词。在托马斯·格雷厄姆的语境下，该词主要是为了与晶体进行区分，以表示不能通过半透膜的一类物质。这类物质可以是一些高分子体系，也可以是一些胶体颗粒的分散体系由于当时的学科体系尚不完备，物理化学、高分子科学等学科尚处于发展阶段或者完全没有建立，胶体一词在不同的阶段具有不同的含义。在现代科学语境下，胶体通常是指在一定粒径范围内的颗粒及其分散体系，通常称之为胶体颗粒或者胶体分散体系。可以说，胶体颗粒及其分散体系的研究是物理化学研究的重要组成部分。1871年，吉布斯(J. Willard Gibbs) 通过热力学原理，推导出了界面吸附公式，并在气体吸附、表面活性剂的吸附等领域的研究中取得了实际应用。胶体颗粒在界面的吸附虽然在冶金浮选、矿物分离和食品、化妆品制造等领域早有存在，但是胶体颗粒在界面的吸附直到20世纪初才有一些系统的研究见诸文献，如Ramsden和Pickering 对于乳液和气泡体系的研究。在这之后，学术界和工业界对于胶体颗粒在液-液界面和气-液界面吸附的研究一直没有停止，但是很遗憾的是，这一领域的研究一直没有取得实质性的进展。20世纪80年代以来，随着表征手段和合成手段的进步，无论是从理论研究层面还是应用研究层面，胶体颗粒在界面的吸附已经取得了长足的进展。在本文中，我们尝试从以下几个方面对最新的进展进行系统的介绍。
2. 胶体颗粒在界面吸附的机制
乳液体系是常见的液-液分散体系，也是目前研究做多的胶体颗粒稳定的界面体系(Pickering 乳液)。在乳液研究中，有所谓的班克罗夫特规则(Bancroft’s Rule)，即乳液的连续相由溶解/分散乳化剂能力强的那一相构成。在胶体颗粒稳定的乳液体系中，也有类似的规律。这最早由Finkle 等在1923年提出。1980年Pieranski 首先利用吸附在空气-水界面上的聚苯乙烯胶体颗粒，推导出了单个胶体颗粒在界面吸附的接力能(detachment energy)。这一能量比颗粒的热能大几个数量级，使得胶体颗粒在界面发生不可逆吸附。这成为之后的研究者解释颗粒稳定的乳液、泡沫和气泡等体系的重要理论基础。图1给出了胶体颗粒在油-水界面吸附的示意图。图1 胶体颗粒在油-水界面吸附的示意图。
3. 胶体颗粒稳定界面的机制及其在界面上的相互作用
近二十年来，胶体颗粒稳定界面的研究主要集中在乳液领域(Pickering 乳液)。虽然从理论上预测，胶体颗粒在油-水界面的吸附是不可逆的，但是实际界面以及乳液体系的稳定性与众多因素有关。第一，胶体颗粒稳定的界面可以起到物理阻隔的作用，这样的阻隔层可以稳定乳液体系，阻止液滴聚并；第二，胶体颗粒在连续相中会形成三维的网络结构，该网络结构可以大幅提高连续相的黏度，减缓液滴的运动速度，阻止液滴接触，从而提高乳液的稳定性。胶体颗粒除了稳定乳液体系之外，根据其对两相界面的浸润性，也可以稳定气-液界面，用来制备泡沫、气泡和干水等分散体系。
图2 胶体颗粒在界面高速运动。
4. 基于胶体颗粒稳定的界面体系的应用
胶体颗粒稳定的分散体系可以用来制备微胶囊，在活性物控释领域已经有大量研究。此外，近年来，随着该领域研究的深入，越来越多生物来源胶体颗粒已经用来稳定两相界面，可以制备安全性更高的分散体系，可以应用在食品、药品和化妆品等领域。此外，近年来，胶体颗粒稳定的界面体系研究的深入，利用胶体颗粒稳定的气-液界面制备液体弹珠、干水等研究得到了广泛关注，其特殊的界面性能有望在微量液体输送、微反应器和Janus 粒子制备等领域得到应用(图3)。图3 (a) 利用液体弹珠制备微型泵；(b) 利用液体弹珠做气体检测反应器；(c) 利用液滴弹珠为模板制备Janus 粒子。
结论与展望
从Ramsden 和Pickering 开始报导胶体颗粒稳定泡沫和乳液体系开始，胶体颗粒在界面吸附的研究已经过了一百多年。相较于一百年多年前，我们对于胶体颗粒在界面的吸附机制、吸附过程和其在界面的相互作用有了更为清晰和更为深刻的认识，但是现有的理论体系尚不完整，在吸附机制、吸附过程和胶体颗粒在界面上的相互作用仍存在众多尚未解决的基础理论问题。胶体颗粒在界面的吸附是一个普遍的物理现象，其在矿物浮选、涂层、食品、药品和化妆品等领域具有广阔的应用前景；随着研究的深入，基于胶体颗粒在界面吸附这一现象用来制备微胶囊、液体弹珠、传感和催化等前沿领域得到了广泛的关注，我们相信该领域的研究会在越来越多的行业获得应用。
魏涛(Ngai, To)
香港中文大学化学系教授。1999年以一等荣誉毕业于香港中文大学化学系，之后继续在该校师从吴奇院士攻读博士学位，2003年获得博士学位；2003年至2005年期间，分别在BASF路德维希总部与美国明尼苏达大学进行博士后研究。2006年开始在香港中文大学任教，并于2012年晋升副教授，2017年晋升正教授。目前的研究领域主要为胶体、表面化学、高分子以及软物质等。
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201907013