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  納米乳液在化妝品、食品、醫(yī)藥、石油開(kāi)采及藥物遞送等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，但其熱力學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的不可逆分解一直是制約其實(shí)際應(yīng)用的難題，另外，傳統(tǒng)納米乳液制備通常依賴表面活性劑或高能耗機(jī)械方法。近日，香港城市大學(xué)朱平安教授與香港理工大學(xué)王立秋教授團(tuán)隊(duì)受自然界云層動(dòng)態(tài)平衡現(xiàn)象的啟發(fā)，提出了一種熱誘導(dǎo)納米乳化（Thermo-induced nanoemulsification, TINE）技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱-冷卻循環(huán)實(shí)現(xiàn)了納米乳液的可逆生成與分解。這一成果發(fā)表在Matter上，為納米乳液的綠色、高效、可控制備提供了全新思路。

  在自然界的水循環(huán)中，云層的形成與消散展現(xiàn)著精妙的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)暖濕氣流上升遇冷時(shí)，水蒸氣在凝結(jié)核表面凝結(jié)為微米級(jí)水滴，形成云層；而當(dāng)溫度升高或濕度降低時(shí)，這些水滴又會(huì)重新蒸發(fā)為氣態(tài)。這種氣-液相變的可逆過(guò)程，啟發(fā)了這一最新研究。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，云層中水蒸氣與液滴的動(dòng)態(tài)平衡與納米乳液體系具有深刻的相似性。正如大氣中水分子在氣液兩相間的循環(huán)轉(zhuǎn)換，他們?cè)O(shè)計(jì)的水-油體系通過(guò)精確控制溫度變化，實(shí)現(xiàn)了納米液滴的可逆形成與溶解（圖1）。在加熱階段（模擬氣流升溫），水相分子突破界面能壘"蒸發(fā)"進(jìn)入油相；冷卻時(shí)（模擬高空低溫），這些分子在油相中過(guò)飽和析出，自組裝形成納米液滴。整個(gè)過(guò)程無(wú)需添加表面活性劑，僅通過(guò)熱力學(xué)調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)乳化狀態(tài)的可逆切換，再次加熱時(shí)納米液滴會(huì)重新溶解，體系恢復(fù)未乳化狀態(tài)。

圖1. TINE技術(shù)的工作原理和表征結(jié)果。a) 示意圖顯示通過(guò)加熱-冷卻循環(huán)實(shí)現(xiàn)納米乳液的可逆形成與溶解過(guò)程；b) 實(shí)驗(yàn)照片對(duì)比顯示初始透明的水-油體系冷卻后形成的乳白色納米乳液（右）和再次加熱后恢復(fù)的透明狀態(tài)（左）；c) 光學(xué)顯微鏡圖像顯示制備的納米液滴；d) 動(dòng)態(tài)光散射分析顯示納米液滴的粒徑分布。

  研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考察不同容器材質(zhì)（玻璃與聚合物）對(duì)乳化過(guò)程的影響。通過(guò)紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在玻璃容器中冷卻時(shí)，由于玻璃較高的熱導(dǎo)率，油相溫度（T_o）始終高于水相溫度（T_w），形成了必要的負(fù)溫度梯度（T_o > T_w）。這種特定的溫度分布促使水蒸氣在水-油界面區(qū)域優(yōu)先成核，并通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入油相內(nèi)部。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度吻合，從理論上闡釋了負(fù)溫度梯度對(duì)納米乳液形成的關(guān)鍵作用。

圖2. 納米乳液形成的條件。a) 玻璃容器中成功形成的納米乳液；b) 聚合物容器中未能形成納米乳液；c) 玻璃容器冷卻過(guò)程中的溫度變化曲線，顯示油相溫度（橙色）高于水相（紫色）；d) 聚合物容器中的相反溫度分布；e-f) 數(shù)值模擬展示不同容器中的溫度場(chǎng)分布；g) 納米液滴在油-水界面成核的示意圖；h) 液滴在界面處形成的全過(guò)程。

  作者定量研究了不同加熱溫度下的乳化行為。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)加熱溫度低于50℃時(shí)體系保持透明，無(wú)法乳化；在50-60℃區(qū)間出現(xiàn)相變；超過(guò)60℃后，乳化程度隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。這一現(xiàn)象與水在油中溶解度的溫度依賴性直接相關(guān)�；诮�(jīng)典成核理論，研究團(tuán)隊(duì)將界面熱毛細(xì)波與臨界成核半徑定量關(guān)聯(lián)，確定了熱誘導(dǎo)納米乳化過(guò)程的臨界溫度條件，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，為TINE技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖3. 溫度調(diào)控的物理化學(xué)機(jī)制。a) 不同加熱溫度下納米乳液的形成情況，顯示50-60℃為臨界閾值；b) 納米液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨加熱溫度的變化關(guān)系；c) 成核溫度依賴加熱溫度的理論預(yù)測(cè)（曲線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)點(diǎn)）對(duì)比。

  研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體系在空氣中自然慢速冷卻（冷卻時(shí)間t_c≈522s）條件下，納米液滴尺寸受成核數(shù)量控制，隨加熱溫度升高而減�。欢�(dāng)體系在水中快速冷卻（冷卻時(shí)間t_c≈17s）時(shí)，液滴尺寸受蒸汽擴(kuò)散過(guò)程控制，保持相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)節(jié)水油比例可以改變體系的冷卻速率，從而實(shí)現(xiàn)液滴尺寸精確調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)為納米乳液的可控制備提供了重要指導(dǎo)。

圖4. 納米液滴尺寸的精確調(diào)控。a) 空氣中緩慢冷卻時(shí)，液滴尺寸隨加熱溫度升高而減��；b) 水中快速冷卻時(shí)液滴尺寸保持穩(wěn)定；c) 通過(guò)改變水油比例調(diào)控液滴尺寸（固定油相體積3 mL，水相體積1-5 mL）。

  TINE技術(shù)適用于包括石蠟油、硅油等多種油水體系，即使對(duì)于粘度高達(dá)3000 cSt的硅油仍能形成穩(wěn)定納米乳液。在甲苯-水、二氯甲烷-水等高飽和蒸汽壓的油-水體系中，可以同時(shí)產(chǎn)生水包油（O/W）和油包水（W/O）兩種納米乳液，這種雙乳化現(xiàn)象在傳統(tǒng)方法中極為罕見(jiàn)。規(guī)�；瘜�(shí)驗(yàn)表明，該方法具有良好的擴(kuò)展性，制備的納米乳液在長(zhǎng)期儲(chǔ)存（16個(gè)月）后仍保持納米級(jí)特性。這些優(yōu)異性能使TINE技術(shù)在智能材料、醫(yī)藥載體、食品加工等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。此外，該技術(shù)可以利用低品位工業(yè)廢熱，同時(shí)在能耗方面（約10-103 W/kg）比傳統(tǒng)低能量納米乳液制備法降低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，具有顯著的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5. TINE技術(shù)的應(yīng)用性能。a) 多種油水體系（石蠟油-水、十六烷-水、硅油-水）的乳化效果；b) 甲苯-水、二氯甲烷-水體系同時(shí)形成W/O和O/W兩種納米乳液；c) 高粘度硅油（3000 cSt）體系的乳化效果；d) 規(guī)�；苽湔故荆�250 mL）；e) 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試顯示16個(gè)月儲(chǔ)存后液滴尺寸仍保持納米級(jí)（初始227 nm，儲(chǔ)存后469 nm）。

  論文全文免費(fèi)訪問(wèn)鏈接（有效期至2025年5月29日）：https://authors.elsevier.com/a/1kvD99CyxdAexy

  論文信息

  P. Zhu & L. Wang. Thermo-induced reversible nanoemulsification. Matter 8, 102103 (2025).

  https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(25)00146-8

  下載：Thermo-induced reversible nanoemulsificatio