隔空取物：非接触式微液滴化学

近日，南开大学张新星教授（点击查看介绍）团队在微液滴化学领域取得了又一进展，他们利用声镊雾化制造了只和空气接触的微液滴，即仅有气-液界面存在，这项技术仍可促成很多化学反应的发生，证明了气-液界面的重要作用。这一工作解决了近年来关于“不纯”气-液界面促进反应的争议问题，即存在气-液界面的同时总是还存在固-液界面、水-油界面等界面的影响。

微液滴与气体/固体接触形成的气-液界面/固-液界面可以显著加速原本缓慢的反应或引发原本不可能发生的反应。气-液界面首先被认为起主要作用，形成的超高电场（10⁹ V/m）能够诱导分子的富集和定向排列，有助于电子从反应物转移到产物以及改变偶极矩，从而加速反应。然而，最近的研究表明固-液界面在微液滴反应中发挥着重要作用，尤其是接触起电（contact electrification，CE）。王中林院士团队指出在固-液接触起电中，电子转移占据主导地位。斯坦福Zare院士团队的报告也称，当接触起电发生时，固体表面的OH^-能够自发还原产生•OH和H₂O₂。Mishra等人最近的研究表明接触的固体表面提供了电子，还原了溶解在水中的氧气，生成了H₂O₂。现有产生微液滴的实验方法，例如，传统的喷雾方法微液滴会与石英毛细管接触。超声波雾化会与超声探头接触，将水蒸气在某一表面凝结成微液滴也无法避免固-液接触。由于缺乏产生非接触式微液滴（只存在气-液界面）的方法，很难排除其他界面的干扰，存在气-液界面的同时也存在着固-液、水-油等界面，对气-液界面促进反应的作用存在争议，无法充分证明气-液界面促进反应的作用。

在本工作中，为了排除其他界面的干扰，研究者们制造了只有气-液界面的微液滴。他们首先利用超声波悬浮了几毫米大小的宏观液滴，其后通过操纵声场，将大液滴雾化成微液滴，在这一产生微液滴的过程中，微液滴只与空气有接触，而未接触任何固体、液体等其他界面。他们用此方法成功测试了多种反应，表明气-液界面促进化学反应毫无争议性，该研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上。

声悬浮利用声波的非线性效应产生压力，从而抵消重力并使样品悬浮。样品表面S₀上声辐射压P_A和声辐射力F由King理论给出：

p是声悬浮产生的声压，ρ₀是空气的密度，c₀是空气的声速，〈〉表示一个周期内某物理量的时间平均，v是周围空气的速度。等式（1）中的第一项表示使液滴悬浮并扁平的正压力，第二项基于伯努利效应，液滴赤道区域空气流速增大产生了使其变平的负压。在本实验中，超声波的频率为20.5 kHz，悬浮几毫米大小的液滴，增加声压，悬浮的母液滴被压成圆盘状。当声压和周围空气的气流速度增加到某一极限，即达到临界Weber数时，圆盘状的液滴开始雾化形成微液滴。

图1展示了高速摄像机记录的悬浮液滴的雾化过程。首先使用不锈钢注射器加入几微升水，使液滴悬浮起来，这一操作不会引起接触起电。减小声悬浮发射端和反射端之间的距离增加了声压和周围空气的速度，最终导致悬浮的液滴雾化。液滴呈椭圆形（图1A），随着发射端和反射端间距离缩短，液滴逐渐变扁为圆盘状（图1B至图1C）。当达到临界Weber数时发生雾化，子代微液滴形成（图1D和1E）。微液滴的尺寸由Image J V1.8.0软件计算。图1F显示了微滴的尺寸分布，其中大多数在55 μm左右。

图1. 高速摄像机记录悬浮液滴雾化过程。

为了量化声场对雾化的影响，作者计算了声悬浮中的声压和周围空气速度。如图2A所示，当声悬浮的声压达到1.7×10⁴ Pa，对液滴产生较强的压缩力，周围气流速度达到1.30×10² m/s，对液滴产生较强的赤道方向拉力，导致液滴表面极不稳定，液滴开始雾化，形成非接触式微液滴（只存在气-液界面）。

图2. 声场模拟。

作者利用非接触式微液滴成功进行了四类反应，如表1所示。微液滴气-液界面的高电场不仅能够撕裂OH^-，产生•OH和电子，还能撕裂大量其他分子，产生相应的自由基和电子，1-5是氧化反应，标号6-9是还原反应，标号10 是使用褪黑素作为•OH清除剂的反应，再次表明了•OH的存在。标号11-16的反应证明了非接触式微液滴能够加速各种反应。

表1

综上，在本研究中，作者用声悬浮产生了非接触式微液滴，只存在气-液界面，排除了固-液界面、水-油界面等其他界面的干扰，毫无争议的纯气-液界面同样适用于各种微液滴反应，有助于加深对微液滴化学中气-液界面促进化学反应过程的充分理解。

该工作近期发表在Journal of the American Chemical Society上。南开大学张新星教授和西北工业大学臧渡洋教授为论文的共同通讯作者。南开大学博士研究生李晓旭为论文的第一作者，西北工业大学硕士研究生农先宇、南开大学硕士研究生朱乘慧等人参与此工作。

在采访中，张新星教授表示：“微液滴化学尚处于婴儿期，是一个充满机遇和希望的领域。在新领域中，对微纳机制方面有争议是正常的。课题组下面的发展方向是努力为解决这些争议和一些大家都关注的问题提供实验和理论方面的解决方案，而不是为了发文章而发文章，打一枪换一个地方。”

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）：

Atomization by Acoustic Levitation Facilitates Contactless Microdroplet Reactions

Xiaoxu Li（李晓旭）, Xianyu Nong（农先宇）, Chenghui Zhu（朱乘慧）, Xufeng Gao（高煦峰）, Huan Chen（陈欢）, Xu Yuan（苑旭）, Dong Xing（邢栋）, Lu Liu（刘璐）, Chiyu Liang（梁驰予）, Duyang Zang（臧渡洋）,* and Xinxing Zhang（张新星）*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c07712

导师介绍

张新星

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