蒸发诱导Pickering乳液中油滴失稳机制：纳米赤铁矿颗粒稳定界面的压缩破裂动力学

本研究针对化妆品、涂料等工业应用中Pickering乳液(粒子稳定乳液)在干燥过程中因挥发组分蒸发导致的液滴失稳问题，通过纳米赤铁矿(hematite)稳定油水界面的单/多液滴实验，揭示了垂直压缩引发液滴横向扩张-破裂的动力学机制。研究发现液滴面积呈非线性扩张且与初始尺寸无关，而临界破裂时的裂纹面积分数、裂纹成核阈值等参数被量化，为工业乳液干燥工艺优化提供了理论依据。

　　

在日常生活中，乳液广泛应用于化妆品、油漆和粘合剂等产品中。这些产品通常以涂层形式使用，其中挥发性组分的蒸发不可避免。然而，蒸发过程中分散液滴的稳定性问题长期困扰着工业界——当挥发性组分蒸发时，分散的液滴会相互挤压，并与后退的气-溶剂界面相互作用，最终导致液滴失稳。传统研究多关注乳液滴的聚并或皱缩，而对蒸发诱导的液滴破裂机制认识不足。

针对这一科学问题，由欧洲研究委员会资助的团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了创新性研究。该工作采用纳米赤铁矿(hematite)椭球体稳定油水界面，通过高精度显微观测技术，首次系统揭示了Pickering乳液单液滴和液滴群在蒸发压缩作用下的破裂动力学。研究发现液滴在垂直压缩下发生横向扩张，其表面颗粒膜产生裂纹并最终破裂，这一机制不同于既往报道的聚并或皱缩模式。研究量化了裂纹成核阈值、扩展规律等关键参数，为工业乳液配方设计和干燥工艺优化提供了全新视角。

关键技术包括：纳米赤铁矿(α=4)的强制水解法合成、油滴压缩过程的实时显微成像、裂纹面积分数定量分析等。研究采用接触角测量仪跟踪气-水界面位置，通过图像处理量化液滴形变参数。

Bursting of a Single Oil-in-Water Emulsion Droplet
研究发现当气-水界面接触油滴时（t=0），液滴开始被垂直压缩。随着水相蒸发，液滴在压缩方向变平并横向扩张，其投影面积呈非线性增长。值得注意的是，最大横向扩张与初始液滴尺寸无关，但扁平化程度随液滴增大而增强。颗粒膜在临界扩张值时出现裂纹，裂纹向液滴上下表面扩展，当裂纹面积分数超过阈值时导致膜破裂。

Conclusion
该研究突破了传统乳液失稳机制的认知框架，首次阐明蒸发压缩导致的Pickering乳液滴破裂动力学。量化获得的裂纹成核阈值（临界面积扩张率1.32±0.15）、裂纹扩展速率（0.034 μm²
/s）等参数具有重要工业指导价值。研究还发现邻近液滴的存在会通过界面应力场耦合影响破裂行为，这对多液滴体系的干燥工艺优化具有启示意义。

这项工作由Sanket Kumar、Deniz Z. Gunes和Erin Koos合作完成，其创新性在于将界面力学与颗粒稳定机制相结合，为开发抗破裂乳液配方提供了理论工具。研究获得欧盟"地平线欧洲"计划（SynEry项目，No 101046894）资助，相关成果可望应用于化妆品缓释系统、功能性涂层等工业领域。