应用 | 调节液体界面张力助力于设计新型材料

概述

液态成分组成的新型概念材料与典型的固体材料相比，如活性材料、自适应材料和新型液体基材料，最近因其卓越且独特的材料特性而受到广泛关注。由于液态复合材料的存在，液态界面的稳定性直接影响了这些材料的结构、性能和功能。液相界面是液体材料与外部环境相互作用的主要区域，因此界面张力在材料制备过程中起着关键作用。从液相界面张力的角度来看，设计方法可以分为高界面张力和低界面张力设计。 

图1.液态界面张力设计方法及未来研究展望 (A)高界面张力设计使3D打印特征不稳定，导致它们破裂成液滴。(B)用于组织工程的液滴打印。(C)低界面张力设计倾向于形成连续的片段。(D)连续液体材料打印用于3D血管模型。(E)具有不同界面张力设计方法的潜在研究领域。 

高界面张力设计

KRüSS提供了多种测试界面张力的方法：

Du Noüy环法：当环从一相移动到另一相时，可以测量由于拉动液膜而引起的环润湿长度上的受力。

Wilhelmy板法：测量当板垂直浸入低相中润湿部分的作用力。

悬滴法：测定体相液中针头上由界面张力产生的液滴形状。界面张力可以通过液滴形状分析由液滴图像测得。

受束座滴法：测定完全对称的座滴轮廓曲率，根据液滴轮廓曲率分析计算得出界面张力。

低界面张力设计

在低界面张力设计中，随着界面张力的降低，不同液体之间的界面倾向于形成平坦且连续的形状（图1 C)。然而，随着印刷液体材料长度的增加，液体界面的不稳定性可能导致结构断裂。为了克服这一问题，安杰利尼及其同事最近提出了一种超低界面张力设计用于3D打印，该设计涉及使用化学性质相似的支持材料来消除界面张力的不稳定性（图1 D)。通过使用由水滴组成的乳液和连续的硅油材料，实现了几乎可以忽略不计的界面张力（g≈0.08 mN/m），并优化了新支撑材料的流变性能以防止打印材料和支持材料的混合。同时，他们可以在不牺牲材料机械性能的情况下制造复杂的高分辨率硅锥结构，因为超低界面张力的支撑材料可以在打印过程中产生稳定且连续的材料。通过限制液相界面不稳定性并保持打印材料的良好机械性能，低界面张力设计在医疗保健领域显示出巨大潜力，可以用于个性化植入物和患者生理模型的新材料。除了3D打印技术之外，还可以说越来越多的新型材料被设计成高、低界面张力，并被应用到各种新兴技术中，如液态金属成形技术、微流控技术和液体门控技术（图1E)。

对于超低界面张力的测试，KRüSS SDT旋转液滴张力仪可以测量低至10-6mN/m界面张力，并且在研究微乳液形成条件时经常被使用。

总结

考虑到高、低界面张力特性对构建新型概念材料的重要性，液-液或液-固之间的调节和匹配响应的界面张力在材料稳定性和功能性方面起着关键作用。例如，由液体和固体组成的新型液体材料是通过界面物理化学设计的；液体可以提供功能结构单元，而固体则可以为液体提供结构基质或受限空间。它结合了固体材料和液体材料的特点，并具有无缺陷、快速动态响应、软界面和适应性等优点。因此，有望从这些材料精确控制高、低界面张力这一仍处于快速发展阶段的领域中实现现实应用的新概念材料突破。

本文节选于Shen, Yigang et al.Liquid interfacial tension design of building new concept materials Matter, Volume 6, Issue 8, 2506 - 2508