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具有可渗透界面组装的纳米纤维素基水包水液晶乳液-岩拓气凝胶

具有可渗透界面组装的纳米纤维素基水包水液晶乳液

在最新的《ACS Nano》杂志上,由芬兰阿尔托大学Chu Guang和加拿大英属哥伦比亚大学的Orlando J. Rojas合作实现了具有可渗透界面组装的纳米纤维素晶体基水包水液晶乳液的可控制备,并运用激光共聚焦-偏光显微成像技术重构了乳液液滴内部三维结构,精细解析了液滴中纳米纤维素晶体的液晶排列。该研究开发了一种制备具有液晶结构的生物质基全水多相体系的方法,拓展了液晶材料的使用范畴。该研究论文题目为“All-Aqueous Liquid Crystal Nanocellulose Emulsions with PermeableInterfacial Assembly”

《ACS Nano》:具有可渗透界面组装的纳米纤维素基水包水液晶乳液

众所周知,纳米纤维素晶体(CNC)是具有均一结构的棒状纳米颗粒,因其可以自发形成层化定向排列,使其具备了优异的液晶特性。在液晶领域中,具备液晶结构的水包油(oil-in-water)或油包水(water-in-oil)乳液逐渐受到重视,但是因乳液固有的热力学不稳定性,液晶乳液稳定性成为限制其开发的主要原因。与传统的水包油乳液相比,水包水乳液(water-in-water emulsion)是一种广泛存在于自然界中的稳定多相体系,例如生物细胞等。本研究中,将CNC作为液晶行为的主体,结合水包水乳液的热力学不相容性特性,实现了CNC基全水液晶乳液的稳定制备,并实现了全液晶、分散相为液晶、及连续相为液晶等多种乳液结构的可控调节(图1)。

《ACS Nano》:具有可渗透界面组装的纳米纤维素基水包水液晶乳液

图1.CNC基水包水液晶乳液的制备、形成、稳定及其界面结构。

当水包水液晶乳液形成后,受到CNC液晶特性的影响,存储过程中液晶相与非液晶相将会自发分层,即乳液下层为液晶层(图1)。研究表明,形成的水包水液滴主要聚集在液晶层中,这主要是由于较大的液滴尺寸和密度差使得重力的影响显著。此外,水/水界面的可渗透性有助于CNC在界面及近界面区域的扩散,进而实现了CNC颗粒在各相同性CNC相与各相异性CNC相界面的动态排列(图2)。图2中,液晶层中水包水液滴尺寸的大小可以显著影响连续相中CNC的液晶排列,即尺寸大的液滴中的CNC液晶排列与连续相中的CNC排列不同,而尺寸较小的液滴则不会引起这种现象。采用激光共聚焦-偏光显微成像技术对水包水液滴的微观结构进行了三维重建,在x-y、x-z、及y-z三个平面上对液滴内部的CNC液晶排列进行了分析,从而证实上述实验结果,并进一步确认了形成不同结构的水包水液晶乳液的机理(图2)。

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图2.CNC基水包水微观结构及其形成机理(图中以全液晶乳液为例)。

研究表明, 液滴内外的渗透压差调控了CNC在体系中的定向移动,结合水/水的界面可渗透性,进而实现了CNC液晶结构的在分散相和连续相中的重新平衡(图3)。

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图3. 渗透压不同引起的水包水液滴中CNC的定向移动。a液滴内渗透要高时,CNC会从液滴内部移动到连续相中;b液滴内外渗透压相同时,CNC移动受限。

将CNC进行标记后,选择性将其使用于分散相中,当液滴内部渗透压高时,被标记的CNC会定向移动到连续相中,进而实现荧光显微镜观察时的颜色逆转。当液滴内外渗透压相同时,被染色的CNC则会被限制在液滴内部,进而表现为分散相呈蓝色。通过对不同分散相/连续相组合的水包水乳液的制备及偏光成像,进一步证实了CNC在水/水界面的定向移动行为(图4)。当采用分散相为各相异性CNC、连续相为各相同性CNC的组合时,经过适当的重新平衡,最终会实现CNC液晶的逆转,即分散液滴会变为各相同性CNC,并在连续相中出现因局部CNC浓度增大而引起的晶团状体结构。 

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图4. CNC基水包水乳液可控制备,其中a-c为分散相为液晶的乳液,d-f为连续相为液晶的乳液。

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c05251

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