一种新型的无氟表面活性剂微乳液：迈向（含氟-含氢-含水）分隔型胶束

《Journal of Colloid and Interface Science》：A new type of fluorinated surfactant-free microemulsion: towards (fluorous – hydrogenous – aqueous) compartmentalized micelles

氟化微乳的相行为与结构研究：以1H,1H-全氟化庚醇、乙醇和水为三元体系，通过液液平衡测定、动态光散射、表面张力测量及分子动力学模拟，发现形成了稳定的氟化醇核心与乙醇稳定层共存的微乳结构，并利用Xe-129核磁共振证实氟化非极性域的富集。该体系揭示了无表面活性剂微乳的氢键与范德华相互作用主导机制，为氟化物污染治理提供了新思路。

　　在当今的化学和材料科学领域，研究者们一直在探索如何在不使用传统表面活性剂的情况下实现液-液共存的微乳液（SFMEs）。这类系统具有独特的性质，可以作为替代传统微乳液的环保方案，特别适用于需要避免表面活性剂污染的领域。本文介绍了一种新型的SFMEs，其特征是形成了以氟化核心为特征的微胶束结构，并被氢化冠状结构所包裹。这种结构能够在水相中自发形成，从而展现出与传统微乳液相似的行为，但避免了表面活性剂带来的环境问题。

这种新型微乳液的基础是三元混合物（1H,1H-全氟庚醇 + 乙醇 + 水）。研究者通过实验方法和分子动力学（MD）模拟技术，研究了该系统的液-液平衡（LLE）相图，并揭示了单相区域内的复杂组织结构。实验结果表明，当三元混合物接近“plait point”时，会形成类似于微胶束的结构，这些结构富含全氟庚醇，同时表现出与传统表面活性剂系统类似的表面张力变化。MD模拟不仅验证了实验发现，还从分子层面揭示了这些结构的形成机制，表明乙醇分子在结构的表面起到稳定作用，将全氟庚醇分子包裹在内，形成一个稳定的体系。

实验结果显示，当乙醇含量增加时，水在全氟庚醇中的溶解度提高，但全氟庚醇在水相中的溶解度变化较小。这种行为与之前研究的氢化醇类微乳液类似，但全氟庚醇表现出更高的疏水性，这使得其临界胶束浓度（CAC）比氢化醇更低。此外，随着水和乙醇的比例变化，所形成的胶束大小也有所不同，表明系统在不同组成下具有可调节的聚集行为。动态光散射（DLS）测量进一步证实了这一点，当水含量增加时，胶束直径逐渐增大，直到接近不混溶区域。

MD模拟的结果提供了对单相区域中结构演变的深入理解。在模拟过程中，研究者观察到随着全氟庚醇浓度的增加，其在体系中的聚集行为更加明显。当体系接近不混溶区域时，全氟庚醇分子形成一个连续的富氟相，而水和乙醇则作为包裹层存在于该结构的表面。这种结构与传统的微乳液中表面活性剂形成的胶束结构相似，但不依赖于表面活性剂。同时，模拟还揭示了乙醇在结构形成中的关键作用，它不仅帮助稳定胶束结构，还在界面处形成了一个有序的排列。

为了进一步验证体系的组织结构，研究者还使用了氙气作为分子探针，并结合129Xe NMR技术对体系进行了分析。氙气的溶解行为显示出其在富氟区域有更高的选择性，这表明这些区域在体系中具有特殊的非极性特性。MD模拟计算的氙气中位移与实验数据高度一致，进一步验证了结构的稳定性。此外，通过计算不同组成下氙气的局部浓度，研究者能够更准确地描绘体系的结构特征。

实验和模拟的结合使得研究者能够全面理解SFMEs的形成机制和结构特性。通过分析表面张力、DLS数据和NMR谱图，他们发现该体系在不同组成下呈现出不同的聚集行为，这为未来开发新型的SFMEs提供了重要的理论依据。这种新型微乳液不仅具有较低的临界胶束浓度，还能够在水相中形成稳定的结构，为从水溶液中提取氟化化合物提供了一种可能的替代方法。

此外，研究者还发现，该体系的单相区域在不同组成下展现出多种形态，包括双连续相和反向胶束结构。这些结构的存在表明，该体系具有高度的结构多样性，这可能对应用具有重要意义。通过模拟不同面积下的液-气界面，研究者能够观察到全氟庚醇分子如何在界面处排列，并在不同条件下形成不同的聚集模式。这些结果进一步支持了体系的组织结构，并提供了关于其表面行为的详细信息。

氙气的NMR数据和MD模拟结果共同验证了体系的非均匀性。在某些组成下，氙气的中位移与预测值存在显著差异，这表明其在体系中更倾向于聚集在富氟区域。这种行为不仅反映了体系的非均匀结构，还揭示了全氟庚醇在水溶液中的特殊作用。通过计算氙气在局部区域的浓度，研究者能够更精确地描述体系的组织方式，从而为未来的设计和应用提供了指导。

研究结果表明，这种新型SFMEs在环境友好性方面具有显著优势。由于全氟庚醇分子的高疏水性和低临界胶束浓度，该体系能够有效地形成稳定的结构，同时避免了传统表面活性剂的环境影响。这使得SFMEs在多个应用领域具有潜力，包括污染物的去除、纳米材料的合成以及生物医学应用等。此外，研究者还指出，这种新型微乳液的结构特性可能有助于开发更高效的氟化化合物提取方法。

总的来说，这项研究为SFMEs的开发和应用提供了新的思路。通过实验和模拟的结合，研究者不仅验证了体系的结构特性，还揭示了其在不同组成下的行为模式。这些发现为未来研究和应用提供了重要的基础，并推动了对非表面活性剂微乳液的理解。随着对这类体系研究的深入，有望开发出更多具有实际应用价值的新型微乳液系统，为化学和材料科学领域带来更多的可能性。