润湿性对气液界面纳米颗粒扩散限制吸附的调控机制研究

研究人员针对纳米颗粒在气液界面的吸附动力学问题，通过Langmuir-Blodgett（LB）槽和悬滴张力测量技术，系统研究了疏水性修饰的二氧化硅颗粒（800 nm）在空气-水界面的吸附行为。研究发现，疏水性更强的SiO-hexane颗粒表现出更高的单层稳定性和吸附速率（ka较未修饰颗粒提升1000倍），揭示了扩散-重力协同机制在大型胶体吸附中的关键作用，为界面工程和药物递送系统设计提供了定量依据。

　　

在印刷、化妆品和药物递送等领域，纳米颗粒在气液界面的吸附行为直接影响产品性能。然而，现有研究多聚焦于小尺寸纳米颗粒（<100 nm）的扩散主导机制，对较大胶体（如800 nm）的吸附动力学认知不足，尤其缺乏疏水性作用的定量分析。此外，传统理论难以解释高浓度下颗粒-界面相互作用的竞争效应。针对这些问题，Hangyu Chen等人在《JCIS Open》发表研究，通过结合实验与建模揭示了疏水性对纳米颗粒吸附的深层调控机制。

研究采用LB槽压缩实验、扫描电镜（SEM）形貌分析和悬滴张力测量技术，对比了未修饰SiO₂、丁醇酯化（SiO-butane）和己醇酯化（SiO-hexane）颗粒的界面行为。动态表面张力数据通过短时（t^0.5）和长时（t^-0.5）模型拟合，计算有效扩散系数（D_eff）和吸附速率常数（k_a）。

3.1. 平衡层压缩与坍塌

LB槽实验显示，疏水性更强的SiO-hexane颗粒单层压缩面积更接近理论六方密堆积（HCP）值（偏差<10%），而SiO-butane因部分坍塌形成多层结构，实际面积达理论值的200%。添加甲基异丁基甲醇（MIBC）后，两者坍塌面积均减小，表明MIBC可能通过界面分散作用弱化颗粒网络稳定性。

3.2. 基于表面张力的吸附动力学建模

短时模型显示，疏水性增加导致能量壁垒（U/k_BT）从35.39（未修饰）升至45.91（SiO-hexane），D_eff降低至10^-30 m²/s量级，证实扩散并非唯一主导因素。长时模型则揭示SiO-hexane的k_a在2 wt.%浓度下高达5331×10^-6 m/s，较未修饰颗粒提升3个数量级，归因于其高脱附能（ΔE）和单层稳定性。

结论与意义

该研究首次量化了疏水性对大型胶体（800 nm）吸附动力学的双重影响：早期阶段受扩散-重力协同作用（Péclet数≈1），后期则由界面稳定性主导。SiO-hexane颗粒的单层有序结构使其在药物载体和纳米材料领域具有应用潜力。研究突破传统扩散理论的局限，为复杂界面体系设计提供了新范式，尤其对高浓度颗粒系统的工业应用（如浮选、乳液稳定）具有指导价值。