膠體與界面化學

郝京誠

山東大學，膠體與界面化學教育部重點實驗室，濟南 250100

膠體與界面化學是研究分散體系的物理化學性質(zhì)和界面現(xiàn)象的科學1,2。該學科與實際結(jié)合緊密，并與其他學科密切相關，其基本原理在物理化學的各分支學科中最具基礎性、理論性和應用性。近年來，我國學者在膠體分散體系與界面化學領域的研究中取得了突破性的進展，很多研究結(jié)果得到了國際同行的關注和認可，為提升我國在該領域的國際學術地位起到了重大作用。然而，由于國內(nèi)學者更加關注納米材料、能源、生物醫(yī)藥等領域的前沿研究，相較于國際上在膠體與界面化學領域的研究，國內(nèi)的研究方向也有所偏移。當然，納米材料化學和超分子化學等新興交叉領域的滲入，以及膠體分散體系現(xiàn)代表征技術的快速發(fā)展和理論化學的進步，對膠體與界面化學的基礎和應用研究都起到了助推作用。因此，對我國近年來在該領域的工作進行介紹、梳理、歸納，有助于研究者了解我國的研究現(xiàn)狀，選擇適合自己的研究方向和內(nèi)容。

本專輯收集了我國部分膠體與界面化學領域的學者在膠體分散體系和兩親分子組裝體系物理化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能與應用方面的研究成果，以及對相關研究的綜述介紹。膠體分散體系研究方面，展示了黃建濱、房喻、齊利民、Zhan Chen、To Ngai、楊恒權、馮玉軍團隊的新概念、新思路和應用等方面的研究結(jié)果；在兩親分子組裝體系方面，展示了王毅琳、閆學海、韓杰、郭榮、董金鳳、李學豐、劉鳴華團隊的創(chuàng)新理論、實驗合成等方面的研究結(jié)果。衷心希望《物理化學學報》的廣大讀者群，特別是膠體與界面化學的讀者群，能夠喜歡這些文章，并從中得到收獲和啟迪。

I 膠體分散體系的綜述與創(chuàng)新研究成果

相界面廣泛存在，是膠體分散體系的重要內(nèi)容。黃建濱團隊3從相對廣義的“兩親分子”概念出發(fā)，提出了“油-CO2兩親分子”概念，在該概念基礎的指導下，設計合成了一系列多酯頭基為親酯基團的“油-CO2兩親分子”，探究了超臨界二氧化碳(scCO2)與白油混相體系中的助混規(guī)律與效果。新穎薄膜材料，例如LB膜的構(gòu)建及應用，已成為物理化學學科發(fā)展的熱點。房喻團隊4長期致力于熒光敏感薄膜的創(chuàng)制、薄膜器件化和薄膜器件陣列的研究工作，發(fā)展了系列熒光敏感薄膜材料，研制了針對爆炸物、毒品、揮發(fā)性有機污染物等有害物質(zhì)的高性能熒光傳感器和探測設備，實現(xiàn)了技術轉(zhuǎn)化和規(guī)模生產(chǎn)。結(jié)合近期研究進展，他們圍繞了薄膜基熒光氣體傳感器的檢測/監(jiān)測應用，討論了傳感器創(chuàng)制中涂層化學的科學問題，綜述了相關研究前景和發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。環(huán)糊精是一類典型的超分子主體，具有親水的表面和不同尺寸的疏水內(nèi)腔，在水溶液中與疏水的小分子容易發(fā)生自組裝。齊利民團隊5利用主客體組裝的策略，通過α-環(huán)糊精(α-CD)與金納米棒表面修飾的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的超分子主客體作用，在水溶液中成功實現(xiàn)了金納米棒的頭對頭和肩并肩可控組裝體材料的制備，為非球形納米基元的可控自組裝提供了新思路。仿生防污高分子涂層的構(gòu)建可用于解決海洋生物附著于船舶對設施造成危害，并可降低燃料消耗，已經(jīng)被界面化學研究領域關注，成為新的熱點內(nèi)容。美國密歇根大學Zhan Chen研究團隊6通過使用和頻(SFG)振動光譜技術實現(xiàn)了對防污材料的界面分析工作。該文中Chen等人總結(jié)了兩性離子高分子、混合電荷式高分子和兩性類肽高分子等防污材料，論述了這些涂層材料的界面性質(zhì)以及鹽離子對界面水分子的作用，同時也介紹了防污材料與蛋白質(zhì)及海藻之間的作用。構(gòu)建具有響應性的組裝結(jié)構(gòu)，特別是以刺激響應性表面活性劑聚集形成不同聚集結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)其響應功能，已成為表面活性劑科學的熱點內(nèi)容。顆粒穩(wěn)定的膠體分散體系，特別是Pickering乳液，近年來得到了越來越多的關注，但膠體顆粒對界面的穩(wěn)定作用和膠體顆粒之間相互作用的機制仍需要深入探索。香港中文大學魏濤團隊7在膠體顆粒穩(wěn)定的界面領域開展了深入系統(tǒng)的研究。該文中作者系統(tǒng)闡述了膠體顆粒穩(wěn)定的乳液和泡沫的研究現(xiàn)狀，回顧了相關研究發(fā)展的歷史，同時介紹了膠體顆粒穩(wěn)定的分散體系在包埋、食品、控釋和干水制備等領域的應用。在關于Pickering乳液的應用研究中，楊恒權團隊8發(fā)展了一種溶劑誘導的Pickering乳液可逆翻轉(zhuǎn)策略，實現(xiàn)了酶的原位分離和高效循環(huán)利用，這是該團隊近年來關于Pickering乳液應用的新進展。液體彈珠是顆粒穩(wěn)定的膠體分散體系，粉末顆粒包裹形成的不潤濕性液滴，近年來得到膠體與界面學者的廣泛關注。馮玉軍團隊9針對近十年來液體彈珠的研究進展，綜述了液體彈珠的制備策略、形成機理、物理性質(zhì)以及相關應用，尤其是在微反應器領域的應用，展望了液體彈珠的發(fā)展方向與應用前景。

II 兩親分子組裝體系的綜述與創(chuàng)新研究成果

表面活性劑在精細化學品工業(yè)和技術領域中具有廣泛的應用價值，是膠體與界面化學研究的核心與基礎。隨著合成化學技術的發(fā)展，新穎結(jié)構(gòu)的表面活性劑不斷出現(xiàn)。通過聯(lián)接基將2個或2個以上的傳統(tǒng)表面活性劑分子在親水基或接近親水基處連接在一起的Gemini表面活性劑，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的表面化學性能引起了研究者的強烈興趣。王毅琳團隊10合成了一系列疏水鏈或聯(lián)接基團上含有酰胺基或酯基的可生物降解陽離子季銨鹽型Gemini表面活性劑，同時合成了酰胺基的單鏈表面活性劑以及疏水鏈和聯(lián)接基團上同時含有酰胺鍵的Gemini表面活性劑。通過表面張力、電導、熒光、等溫滴定量熱和1H NMR波譜測定，系統(tǒng)研究了降解基團結(jié)構(gòu)和位置對Gemini表面活性劑聚集行為的影響，以及Gemini表面活性劑和單體表面活性劑在表面活性和聚集行為方面的差異，給出了合成Gemini表面活性劑的重要物理化學性質(zhì)參數(shù)。肽分子具有氨基酸規(guī)整排列、高度穩(wěn)定的一級結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)明確、可編輯、生物安全性高，肽分子間具有氫鍵等非共價鍵相互作用，以上特點構(gòu)成了肽分子在超分子組裝中的優(yōu)勢。近年來，閆學海團隊11在肽分子的超分子組裝體系的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)建方面取得了突破性進展。他們綜述了肽基超分子膠體研究領域所面臨的關鍵性科學問題，對這類材料在能源光催化、疾病光診療領域的應用做了重點論述。表面活性劑蠕蟲狀膠束和小分子水凝膠具有獨特的聚集體結(jié)構(gòu)和流變學特性，其中表面活性劑蠕蟲狀膠束已經(jīng)在油田開采中作為清潔壓裂液被廣泛應用，而小分子水凝膠具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在變形和壓力下難以改變。韓杰和郭榮團隊12研究了非離子表面活性劑Brij 30與離子液體表面活性劑C16imC8Br的模型體系，通過流變性能測定和冷凍刻蝕透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)表征，證明了蠕蟲狀膠束向凝膠的轉(zhuǎn)變，并以Zeta電位和核磁共振化學位移探究了兩者之間的相互作用。董金鳳和李學豐團隊13長期開展響應性表面活性劑聚集結(jié)構(gòu)和性能的研究，他們利用十六烷基三甲基氫氧化銨和不同結(jié)構(gòu)的甲氧基取代的肉桂酸衍生物構(gòu)建了光響應蠕蟲狀膠束體系，研究了甲氧取代基的位置和數(shù)量對蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)與光響應性的影響，明確了光誘導蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中甲氧基取代位置的重要作用。劉鳴華團隊14將具有良好光學性質(zhì)的喹喔啉衍生物修飾于L-谷氨酸基兩親分子中，得到了含有較大π-共軛頭基的手性功能化凝膠因子，凝膠因子可以自組裝形成由納米纖維組成的三維網(wǎng)絡凝膠，該凝膠材料具有多重外界刺激響應性，為超分子手性光學開關的應用提供了一條新途徑。