几何形状与润湿性对花生形颗粒Pickering乳液界面附着能的影响

《Scientific Reports》：Effect of geometry, wettability, and Janus amphiphilicity on the interfacial attachment strength of peanut-shaped solid particles in Pickering emulsions

　　

摘要

Pickering乳液由吸附在油水界面上的固体颗粒稳定。颗粒界面附着强度取决于颗粒形貌和润湿性。本研究考察了花生形颗粒，并确定其几何形状和润湿性如何影响颗粒附着能。首先以均匀润湿性的同质颗粒进行对比研究，与球形情况进行比较；然后研究一面疏水、一面亲水的Janus颗粒。同质花生形颗粒的附着能比同体积球形颗粒更负，表明其界面附着更强。为区分这种增强附着究竟源于花生形颗粒更大的界面接触面积还是源于真正的几何效应，我们将花生形颗粒与四种球形对照进行比较：体积匹配的、界面面积匹配（截面匹配）的、总表面积匹配的，以及两个独立的瓣状球。结果表明，花生形颗粒的优势主要来源于其更大的界面接触面积，而其连续颈部的几何结构也提供了较小但稳定的附加贡献。随后，我们研究了Janus花生形颗粒，其中疏水-亲水边界由角度\(\alpha \)定义，润湿性对比度\(\beta \)量化了两个面接触角相对于90°的等量偏离程度。然后通过最小自由能确定油水界面的角位置\({\alpha}_{v}\)。若在最小能量状态下油水界面与该Janus边界对齐（\({\alpha}_{v}=\alpha \)），则发生钉扎效应。对于对称的Janus颗粒（\(\alpha \) = 90°），无论两个面的润湿性对比度如何，都会发生钉扎。然而，对于不对称颗粒（\(\alpha \) ≠ 90°），只有当润湿性对比度超过临界值\({\beta}_{c}\)时才会发生钉扎。颗粒越不对称（\(\alpha \) 与90°的偏差越大），所需的\({\beta}_{c}\)就越大。重要的是，花生形Janus颗粒比具有相同\(\alpha \)的球形Janus颗粒需要更高的\({\beta}_{c}\)。这表明伸长形不仅增强了附着，还要求更大的润湿性对比度才能实现钉扎构型。这两种效应共同表明，花生形Janus颗粒是Pickering乳液应用中实现更强界面附着的有力候选者。