研究人员创建了一种在油滴和水之间界面处含有纳米颗粒的二维（2-D）液体。将油吸回移液管，可以推测出这种系统的一系列物理规律。图片来源：宾夕法尼亚大学

当水和油交汇到一起，一个二维的世界出现了。界面提供了一系列潜在的有用化学和工程性质，但要比保持肥皂分子及其可预测行为要复杂得多。

目前，宾夕法尼亚大学的研究团队展示了如何使纳米颗粒被这种界面吸附，而不是融入到水或者油中，从而制得一种二维液体系统。通过测量液体的压力和密度，发现这项技术有望应用于纳米制造、催化剂、光子器件等领域。

通过创建由不会凝聚成团簇或片状的颗粒组成的系统，有望考察纳米物质在二维尺度上相互作用的物理基础。

这项工作由宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院化学和生物分子工程系博士后研究员Valeria Garbin、研究生Ian Jenkins和Talid Sinno教授、John Crocker教授、Kathleen Stebe教授所进行。

该项研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上。

“研究进展被卡在油和水的界面，”Stebe表示，“在基础和技术层面上，那都表现出了极大的兴趣，因为我们能够想象得到那是一个二维世界的界面。如果我们能够开始理解积累在那里的物质的相互作用，并了解它们的排列方式，我们可以将它们应用于许多不同的领域。”

然而，要使纳米颗粒进入并维持在这种界面处是相当困难的。它们的表面化学可以很轻易的与水或者油相适应，但是要平衡这两者使得颗粒停留在这个2-D区域就更加困难了。

“我们了解颗粒在3-D空间上是如何运行的。”Crocker说，“如果你将聚合物链接到吸附溶剂的表面，颗粒将相互反弹并形成一个良好的悬浮液，这意味着你可以操纵它们。然而迄今为止，人们还无法在2-D空间上这样做。”

即使颗粒能够维持在界面上，它们往往更倾向于团聚成无法分开的片状（类似于皮肤一样）。

“所有的颗粒都喜欢自己。”Stebe说道，“正是由于范德瓦尔斯（Van der Waals）相互作用，如果它们能够足够接近，就将聚集在一起。但由于我们的纳米颗粒具有保护配体，它们不会聚集在一起，而是形成液态，在二维上保持平衡。”

为了克服这个问题，研究团队从技术上利用表面活性剂、类似于肥皂的配体等修饰纳米金颗粒。这些配体具有亲水端和亲油端，当颗粒处于界面处事，它们连接中心颗粒的方式允许自身两端发生扭曲。这种排列类似于“飞碟”状，相比于上下两面，界面处配体伸展出更多。这些配体防止颗粒聚集到一起。

“这是一个非常漂亮的系统。”Stebe说是说，“调整排列的能力意味着目前我们可以做二维尺度上符合热力学平衡的任何事情，并且可以着手处理有关纳米颗粒层的问题。这些颗粒的行为是否像我们认为的那样？将来我们如何操作它们？”

为了了解这个系统的基本原理，研究人员需要推断某些特性的关系，比如2-D液体的压力变化与颗粒堆积之间的关系。研究人员采用一种变异的悬滴法，在颗粒的水悬浮液中形成液滴。随着时间推移，颗粒附在油-水界面处，产生可测量某些性质的2-D液体。

“我们可以推断2-D流体的压力与液体的形状有关。”Stebe表示，“一旦我们用注射器吸回部分油压缩液滴的话，我们将可以决定如何改变形状和该层上相关的压力。”

研究人员还需要确定颗粒填充的密度。他们想要利用这样一个事实，当液滴被压缩时，随着颗粒密度的增大，液滴将变得更加不透明。然而，这无法轻易的测量光通过液滴的量，因为等离子行为意味着随着纳米金颗粒挨得更紧，其性质发生改变。

“幸运的是，我们发现这种纳米颗粒体系的另一个有趣的特点。”Garbin介绍道，“如果液滴被压缩得太多，许多颗粒会掉出界面。这允许我们测量下降液柱中颗粒的数量，因为颗粒间分离得很远。然后，我们可以反推出界面处颗粒的数量。”

颗粒堆积和2-D液体间形成的关系为获得该体系物理学普遍规律提供了基础。

“从这个数据来看，”Crocker说，“我们可以找出两个纳米颗粒的距离和作用力的关系。这意味着我们现在能够确定2-D液体中颗粒的行为模式。”

这些规律将允许研究人员发展具有不同特性的功能纳米颗粒，比如具有更长及更复杂的配体。

“其中一个应用是界面催化剂。”Stebe表示，“举个例子，油相中的一种试剂，但其产品处于水相中，在界面处存在这样一种颗粒能将其从油相（或水相）转移到水相（油相），这将是完美的。”

更好的理解颗粒什么时候及为什么会被局限在液-液界面也将支撑以后的研究工作。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜  校正：摩天轮