UT-Austin郑跃兵Nat. Commun.：光热泳镊揭示水油界面之谜

水和疏水介质之间的界面带电是一个神秘的物理现象，其性质和起源一直在争论中。尽管人们已通过电动力学、光谱学等实验手段以及理论研究来理解界面带电，但得出的结论和解释并不一致，而且尚未在水的界面行为方面达成共识。因此我们需要各种理论模型和先进技术来更好地理解这种现象并进一步阐明水在生物和化学系统中存在的界面处的各种作用（例如，细胞膜动力学和功能、蛋白质折叠和电化学反应）。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）的郑跃兵教授率博士研究生Youngsun Kim、丁鸿儒利用光热泳镊（opto-thermophoretic tweezers, OTT）揭示了水油界面带电之谜。该工作近期发表在Nature Communications 上。

在这项工作中，作者使用光热泳镊以无表面活性剂全氟戊烷（PFP）的水乳液作为模型来研究水油界面。由于界面带电可能源于水的特定结构，并且与界面水亦或与电离物质的介电性能和氢键键合有关，因此沿界面的局部温度变化可以改变界面水的结构相关介电性能。光热泳镊在由照射在光热基板上的激光束产生的微尺度热场下运行。在温度梯度场下，界面水的有序度因热扰动而降低，沿温度梯度在双电层中产生介电常数梯度。界面介电常数的热致不平衡产生沿界面的滑流，导致胶体物体的热泳运动（图1）。此外，极性有机溶剂会干扰界面水的氢键网络，导致另一种界面扰动模式。PFP与大多数有机溶剂的不混溶性使他们能够使用与水混溶的溶剂（和二甲基亚砜）创建多种溶剂环境，同时保持油相完好无损。

图1. 光热泳镊的工作原理

通过对油滴在不同溶剂环境中的光热泳行为的实验测量以及理论分析和与固体颗粒的比较，得出水分子和流动负电荷存在于具有特定偶极子排列的水/油界面水化油滴，并且由于负电荷的移动性，这种布置非常容易受到热扰动的影响（图2）。

图2. 水分散液滴的光热泳捕获和混有不同溶剂的水油界面

总之，作者凭借光热泳镊产生局部热场和揭示界面偶极子排列信息的能力，为探测油水界面提供了一个互补的视角，揭开了水油界面带电现象的长期谜团。当与光谱和计算技术相结合时，该技术可能有助于阐明与水的界面行为相关的现象。此外，在液体中操纵、组装和合并液滴的能力将使光热泳镊的应用范围更广，包括可控微反应器和可重构微流体。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Investigating Water/Oil Interfaces with Opto-Thermophoresis 

Youngsun Kim, Hongru Ding, and Yuebing Zheng

Nat. Commun., 2022, 13, 3742. DOI: 10.1038/s41467-022-31546-3

郑跃兵博士简介

郑跃兵，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系终身教授。郑教授于2010年在宾夕法尼亚州立大学获工程科学与力学博士学位，于2010至2013年在加利福尼亚大学洛杉矶分校担任博士后研究员。其团队致力于纳米光子学的跨学科研究，包括纳米尺度下光与物质的相互作用，数字化纳米操控及加工，和用于生物医学的新型光学材料及器件。目前已在Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Accounts of Chemical Research, Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters, Materials Today, Advanced Functional Materials 等国际著名刊物上发表论文150余篇，论文引用逾8000次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/38310