Page 37 - 《精细化工》2023年第3期

第 3 期 尹太恒，等: 两亲 Janus 纳米片的制备及胶体与界面性质研究进展 ·493·

长度上的自由能）量级为 1×10 –10 N 的空气/水/纳米 3.2 两亲 Janus 特征的影响
颗粒体系，扁圆形（盘状）的纳米颗粒能够在水/空 两亲 Janus 特征对球形纳米颗粒流体界面行为
气界面稳定吸附，球形纳米颗粒在界面的吸附是亚 的影响已被系统研究 [78-82] 。与球形 Janus 纳米颗粒
稳态的，而棒状的纳米颗粒在界面是不稳定的且倾 相比，两亲 Janus 纳米片由于二维的形貌特征使其
向于脱离界面。此外，纳米颗粒在流体界面的稳定 在界面处的旋转运动和位置受到更大的限制 [78,83] 。因
性也取决于其在界面的取向 [74] 。图 6 展示了不同形 此，两亲 Janus 纳米片可能具有与球形 Janus 纳米颗
状纳米颗粒在流体界面的取向以及在界面的稳定性 粒不同的界面特性 [75,77,84-85] 。然而，目前缺乏对两
顺序 [75] ，可以看出，平铺于流体界面的扁圆形纳米 亲 Janus 纳米片界面特性的系统性研究，对其在界
颗粒稳定性最强。与球形和棒状颗粒相比，二维片 面处的组装以及组装膜机械性能的了解更少。
[76]
状颗粒的平面结构极大地限制了其在界面处的旋转 ， XIANG 等 [86] 采用耗散粒子动力学模拟的方法研究
使其在界面处的取向更加固定。 了三角形两亲 Janus 纳米片在油水界面的组装行为。
结果表明，两亲 Janus 纳米片在流体界面聚集能够
降低界面张力，在低界面浓度条件下两亲 Janus 纳
米片平行吸附于流体-流体界面，在高界面浓度条件
下两亲 Janus 纳米片则会在界面形成褶皱并进入体
相。RUHLAND 等 [87] 基于自由能模拟研究了圆盘状

Janus 纳米颗粒在甲苯-水界面的行为。模拟结果表
图 6 纳米颗粒在流体界面的相对稳定性取决于颗粒的 明，当两亲 Janus 纳米片在油水界面将亲水侧朝向
形状和取向 [75]
Fig. 6 Relative stability of nanoparticles at the fluid 水相，疏水侧朝向油相时，体系的能量最低。但在
interfaces depending on the shape and orientation 两亲 Janus 纳米片由水相吸附至油水界面的初期阶
of the particles [75]
段，两亲 Janus 纳米片在油水界面的取向是随机的。
CREIGHTON 等 [77] 对油水界面的球形和片状纳 随着界面吸附的进行，越来越多的纳米片被吸附至
米颗粒进行了详细的热力学分析，并总结了油水界 界面，界面处的纳米片之间会发生聚集和碰撞，从
面二维纳米片相较于零维球形纳米颗粒的优势，如 而导致前期吸附取向较差（亲水侧朝向油相，疏水
图 7 所示。 侧朝向水相）的纳米片解吸，然后重新以能量最低
的方式定向吸附至油水界面。
目前，基于物理实验的研究报道仍局限于界面
张力的测量以及通过扫描电子显微镜对界面组装膜
形貌进行初步定性观察。YIN 等 [88] 设计了一种通过
分析圆柱形探针垂直穿过油水界面所得到的力-位
移曲线来研究不相溶流体界面处颗粒膜垂向力学性
能的方法，并采用这种探针浸入法研究了油水界面
两亲 Janus 纳米片组装膜的垂向力学响应性。结果
表明，两亲 Janus 纳米片能够显著增强油水界面的
柔性和形变能力，使其能够在较低的垂向应力作用
下产生较大的形变。

图 7 油水界面二维纳米片较零维球形纳米颗粒的优势 [77]
Fig. 7 Advantages of two-dimensional nanosheets over zero- 4 两亲 Janus 纳米片的应用
dimensional nanoparticles at oil-water interface [77]
两亲 Janus 纳米片因具有二维几何形状以及不
首先，二维纳米片在界面的脱附能高于相同粒 对称的化学组成和结构特点而受到科研界和工业界
径或相同比表面积的球形纳米颗粒，因此具有更高 的广泛关注。近年来，随着两亲 Janus 纳米片制备
的界面稳定性。其次，二维纳米片重叠平铺于油水 方法的日益完善，关于两亲 Janus 纳米片的应用研
界面，将油水界面完全覆盖，阻断了油相与水相间 究逐渐成为纳米材料领域的研究热点，且已在很多
的分子转移。另外，片状颗粒的二维特性使其原子 领域表现出其他材料所不具备的优势，如提高乳化
与液相的接触率远高于球形颗粒，这极大地提高了 性、提高原油采收率、用于界面催化等。
纳米颗粒在油水界面的原子利用率。 与常规纳米颗粒相比，两亲 Janus 纳米片由于