具有可滲透界面組裝的納米纖維素基水包水液晶

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       在最新的《ACS Nano》雜志上，由芬蘭阿爾托大學(xué)Chu Guang和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的Orlando J. Rojas合作實(shí)現了具有可滲透界面組裝的納米纖維素晶體基水包水液晶乳液的可控制備，并運用激光共聚焦-偏光顯微成像技術(shù)重構了乳液液滴內部三維結構，精細解析了液滴中納米纖維素晶體的液晶排列。該研究開(kāi)發(fā)了一種制備具有液晶結構的生物質(zhì)基全水多相體系的方法，拓展了液晶材料的使用范疇。該研究論文題目為“All-Aqueous Liquid Crystal Nanocellulose Emulsions with PermeableInterfacial Assembly”
 
 
        眾所周知，納米纖維素晶體（CNC）是具有均一結構的棒狀納米顆粒，因其可以自發(fā)形成層化定向排列，使其具備了優(yōu)異的液晶特性。在液晶領(lǐng)域中，具備液晶結構的水包油（oil-in-water）或油包水（water-in-oil）乳液逐漸受到重視，但是因乳液固有的熱力學(xué)不穩定性，液晶乳液穩定性成為限制其開(kāi)發(fā)的主要原因。與傳統的水包油乳液相比，水包水乳液（water-in-water emulsion）是一種廣泛存在于自然界中的穩定多相體系，例如生物細胞等。本研究中，將CNC作為液晶行為的主體，結合水包水乳液的熱力學(xué)不相容性特性，實(shí)現了CNC基全水液晶乳液的穩定制備，并實(shí)現了全液晶、分散相為液晶、及連續相為液晶等多種乳液結構的可控調節。
 
       當水包水液晶乳液形成后，受到CNC液晶特性的影響，存儲過(guò)程中液晶相與非液晶相將會(huì )自發(fā)分層，即乳液下層為液晶層。研究表明，形成的水包水液滴主要聚集在液晶層中，這主要是由于較大的液滴尺寸和密度差使得重力的影響顯著(zhù)。此外，水/水界面的可滲透性有助于CNC在界面及近界面區域的擴散，進(jìn)而實(shí)現了CNC顆粒在各相同性CNC相與各相異性CNC相界面的動(dòng)態(tài)排列。液晶層中水包水液滴尺寸的大小可以顯著(zhù)影響連續相中CNC的液晶排列，即尺寸大的液滴中的CNC液晶排列與連續相中的CNC排列不同，而尺寸較小的液滴則不會(huì )引起這種現象。采用激光共聚焦-偏光顯微成像技術(shù)對水包水液滴的微觀(guān)結構進(jìn)行了三維重建，在x-y、x-z、及y-z三個(gè)平面上對液滴內部的CNC液晶排列進(jìn)行了分析，從而證實(shí)上述實(shí)驗結果，并進(jìn)一步確認了形成不同結構的水包水液晶乳液的機理。
 
        研究表明， 液滴內外的滲透壓差調控了CNC在體系中的定向移動(dòng)，結合水/水的界面可滲透性，進(jìn)而實(shí)現了CNC液晶結構的在分散相和連續相中的重新平衡。
        滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）不同引起的水包水液滴中CNC的定向移動(dòng)。a液滴內滲透要高時(shí)，CNC會(huì )從液滴內部移動(dòng)到連續相中；b液滴內外滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）相同時(shí)，CNC移動(dòng)受限。
        將CNC進(jìn)行標記后，選擇性將其使用于分散相中，當液滴內部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）高時(shí)，被標記的CNC會(huì )定向移動(dòng)到連續相中，進(jìn)而實(shí)現熒光顯微鏡觀(guān)察時(shí)的顏色逆轉。當液滴內外滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）相同時(shí)，被染色的CNC則會(huì )被限制在液滴內部，進(jìn)而表現為分散相呈藍色。通過(guò)對不同分散相/連續相組合的水包水乳液的制備及偏光成像，進(jìn)一步證實(shí)了CNC在水/水界面的定向移動(dòng)行為。當采用分散相為各相異性CNC、連續相為各相同性CNC的組合時(shí)，經(jīng)過(guò)適當的重新平衡，最終會(huì )實(shí)現CNC液晶的逆轉，即分散液滴會(huì )變?yōu)楦飨嗤訡NC，并在連續相中出現因局部CNC濃度增大而引起的晶團狀體結構。