Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

想象一个你可以建造永不坍塌的微型海绵状结构的世界，其中充满了两种互不相容的液体——比如油和水——并由微小的粒子军队维系在一起。这就是胶体科学的领域，它是研究微小粒子在流体中行为的物理学分支。在这个世界里，科学家们痴迷于创造双连续材料。不要把它们仅仅看作是有孔的海绵，而要将其想象成一个复杂的、交织的迷宫，两种不同的液体在其中并排流动，形成连续的通道，就像双螺旋高速公路系统一样。这些结构在移动物质方面效率极高，使其非常适合用于诸如清理污染、为电池储存能量，甚至帮助生长新的人体组织等领域。

为了建造这些迷宫，科学家们使用了一种被称为 STrIPS（溶剂转移诱导相分离）的巧妙技巧。想象你有一个由油、水和一种同时喜爱两者的特殊溶剂组成的混合物。如果你缓慢地移除这种溶剂，油和水就会被迫分离。但它们并不会只是形成大块的液滴，而是被困在一种混乱而美丽的舞蹈中，从而创造出一个永久性的、交织的网络。为了防止这个网络坍塌，科学家加入了纳米颗粒——这些微小的颗粒就像一层保护性的盔甲，卡在油和水的界面处，以固定住形状。

但问题在于，当你试图将这些结构制成固态表面（如玻璃载玻片）上的薄膜时，表面本身就开始扮演起一个霸道的裁判的角色。它不仅仅是静静地待在那里；它会影响紧贴其表面的油和水的行为。科学家们一直追问的大问题是：表面对油和水的偏好程度有多少，这又如何改变最终迷宫的形状？ 理解这一点至关重要，因为如果你想将这些薄膜用于现实世界的设备，你需要确切知道它们是如何粘附以及在接触底面的地方呈现出怎样的形态。

在这项研究中，Jesse Steenhoff 和 Martin Haase 决定扮演侦探，去调查这些微观迷宫。他们想看看当他们在经过处理的、要么超级亲水、要么疏水的玻璃载玻片上构建这些“bijel”（双连续界面夹持乳液凝胶）薄膜时，会发生什么。

首先，他们必须制造出自己的“霸道裁判”。他们取用普通的玻璃载玻片，并用一种名为 n-OTMS 的化学物质进行处理。把这种化学物质想象成一层由微小、油腻尾部构成的盔甲涂层。通过将玻璃浸入这种化学物质的溶液中不同时间，他们可以控制玻璃变得多么“油腻”（疏水）。短时间的浸泡会让玻璃保持大部分亲水的特性，而长时间的浸泡则会让玻璃变得越来越疏水。他们通过在玻璃上滴下微小的水珠来检查工作成果：在未经处理的玻璃上，水向四周平铺开来；而在经过处理的玻璃上，水滴缩成了球状，这证明了表面已经发生了变化。

接下来，他们制作了 bijel 薄膜。他们将这些经过特殊准备的玻璃载玻片浸入含有油、水和二氧化硅纳米颗粒（宽度约 22 纳米）的前驱体混合物中。随着溶剂的蒸发，油和水发生分离，纳米颗粒在界面处发生“夹持”作用，从而冻结了结构。为了观察正在发生的变化，他们使用了一台超强大的显微镜——共聚焦显微镜。这不仅仅是一台普通的照相机；它可以拍摄薄膜内部的 3D 图像，逐层切片以观察油（颜色为洋红色）、水（黑色）和纳米颗粒（绿色）。

他们的发现是一个关于表面影响力的迷人故事。当他们使用最亲水的玻璃（即未经处理的那种）时，薄膜会在紧贴玻璃的地方形成一层完美、平滑的水层。这就像一条紧贴着岸边的平静、层流状的水河。然而，随着他们使玻璃变得更加疏水，故事发生了变化。平滑的水层消失了。取而代之的是，表面变成了一块拼布地毯。富含水的区域萎缩成了小岛，而富含油的区域开始占据主导，创造出一个凹凸不平、混合杂乱的表面层。

研究人员还注意到了一些关于“盔甲”（纳米颗粒）的情况。当他们在混合物中使用更多的纳米颗粒时，整个结构（包括表面层）都会变薄。这就像纳米颗粒挤压得如此紧密，以至于把各层都压扁了。这意味着，为了能清晰地观察到表面效应，他们需要使用较少的纳米颗粒，否则层会太薄而无法观测。

为了确保他们的观察结果并非偶然，他们运行了计算机模拟。他们创造了一个虚拟世界，可以在其中调节表面的“油腻度”，并观察液体分离的过程。计算机的结果与显微镜观察到的情况一致：在非常亲水的表面上，你会得到一个平滑的水层；在非常疏水的表面上，你会得到一个平滑的油层。但现实实验中出现了一个转折。虽然计算机显示一个超级疏水的表面应该产生一个完美的、平滑的油层，但真实的薄膜却并非如此。油并没有形成完美的连续片层，而是形成了一个斑驳、不均匀的层。作者认为，这是因为如果油层变得过于完美且连续，整个薄膜可能会直接从玻璃上剥离，并漂浮在周围的油浴中！

那么，结论是什么呢？论文表明，你用来构建这些薄膜的表面是一个强大的导演。它不仅承载着薄膜，还积极地塑造了第一层迷宫的形状。如果你想要一个富含水的起点，请使用亲水表面。如果你想要一个富含油的起点，请使用疏水表面。但这是一个微妙的平衡：如果表面过于极端，薄膜可能会失去抓地力。这一洞察有助于科学家更好地设计这些材料（如过滤器或医疗支架），确保它们从最底层开始就能实现良好的粘附并具备正确的结构。