[发明专利]一种制备微纳米尺度的全液相流体通道的方法

说明书

本发明涉及一种通过抑制Plateau‑Rayleigh不稳定制备微纳米尺度的全液相流体通道的方法，属于结构化液体技术领域。本发明制备方法包括：(1)将端基化的聚合物表面活性剂溶于油相，将纳米粒子分散于水相；(2)将所述水相固定于基底与针头之间形成液桥；(3)加入所述油相浸没液桥，所述纳米粒子与所述端基化的聚合物表面活性剂能够在油水界面发生静电相互作用，使得液桥界面上形成纳米粒子‑聚合物界面组装网络；(4)准静态拉伸液桥，即可得到微纳米尺度的全液相流体通道。本发明突破了现有的结构化液体全液相流体通道的尺寸极限，打破了传统全液相流体通道应用场景的严苛限制。在全液相流体传质领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于结构化液体领域，具体涉及一种通过抑制Plateau-Rayleigh不稳定制备微纳米尺度的全液相流体通道的方法。

背景技术

从河流到毛细血管，从自然到工业，流体通道通过能量的定向传递和物质的有序输送保证了正常的生态循环和生命运行。流体结构的稳定性通常取决于固相受限环境，如河床和管道。然而，更具体的环境，如在全液相体系中，即一种流体在另外一种非互溶相中的流体通道结构塑造。因其不允许固相的参与的特殊性，在脱离固相受限环境后，全液相流体通道的空间秩序会因Plateau-Rayleigh不稳定而被打破。并且，由于Laplace压差的影响，对于尺寸越小的全液相流体通道，其发生Plateau-Rayleigh不稳定流体破裂的时间尺度越小，即

其中，τ为流体破裂的时间尺度，α(P)为压力系数，r为流体柱半径，η_e为外相粘度，γ_OW为油水间界面张力。流体结构因液体分子的松散排列与表面张力等因素的影响而难以精确调控。目前所构建的全液相流体通道尺寸仍然在宏观尺度上，这限制了其在能量传递和质量传输领域的应用潜力。

这里，纳米粒子-聚合物界面组装体系为解决这一问题提供了思路。纳米粒子与聚合物配体通过静电相互作用在液/液界面协同组装，一方面能够有效的降低两相间的界面张力，另一方面，纳米粒子为液相界面提供了优异的力学性能。其界面剪切模量的提升足以抵抗表面张力带来的界面回缩，抑制Plateau-Rayleigh不稳定。这里用界面剪切模量定量这一过程，即

其中为界面剪切模量，为界面粒子面堆积密度，为流体柱破裂的临界界面粒子面堆积密度，β为修正项。

这里给出粒子堆积的时间尺度，即

τ_α＝(k_aC₀η)^-1

其中，τ_α为粒子迁移的时间尺度，k_a为速率常熟，C₀为体相粒子的浓度，η为修正项。

当在流体结构破裂前界面上粒子的面堆积密度大于临界界面粒子面堆积密度时，整个流体结构将被稳定，即

τ＞τ_α

Shi等利用射流模型与纳米粒子-聚合物界面组装体系相结合在低粘度的甲苯相中构建全液相的流体通道(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,12594)，以棒状纤维素纳米晶体为基础形成的纳米粒子表面活性剂，可在液/液界面快速组装。当发生界面阻塞相变时，纳米粒子表面活性剂组装网络为界面带来优异的机械性能，含有纤维素纳米晶体的水溶液自由下落射流进入氨基功能化的聚苯乙烯甲苯溶液中，其Plateau-Rayleigh不稳定被完全抑制。形成稳定的全液相流体通道结构。但由于其外相甲苯相的粘度较低，流体破裂的时间尺度τ很小，想要在纳米粒子界面组装完成前延缓流体的破裂只能提高流体的尺寸，所以用此方法形成的全液相流体通道的尺寸普遍在毫米级或几百微米，无法制备更小尺度的全液相流体通道。