热塑性是指物质在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定形状的性质。大多数线形聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等均表现出热塑性，很容易进行挤出、注射或吹塑等成型加工。同时，热塑性聚合物可通过热合焊接制备具有复杂结构的塑料制品，已被广泛应用于社会生产生活中。与固体材料不同，液体由于其本征的流动性，无法保持结构稳定，构筑具有精准结构和可重复加工性能的液体更是难以实现。针对这一问题，受热塑性聚合物启发，软物质高精尖中心史少伟教授课题组利用纳米粒子和高分子水/油界面共组装，构建了一类温度响应型纳米粒子表面活性剂（nanoparticle surfactant, NPS），并基于NPS的界面堵塞和温度响应性，成功实现了液体的塑形和焊接，为开发具有先进功能的模块化液体器件提供了一种全新思路（图1）。
通过设计合成以环糊精（α-CD、β-CD和γ-CD）为核、聚丙烯酸为侧链的星形聚合物纳米粒子（α-NP、β-NP和γ-NP）和单端苄基（Bz）修饰的左旋聚乳酸（Bz-PLLA），本工作分别基于α-NP、β-NP、γ-NP和Bz-PLLA之间的主客体相互作用在水/油界面构建了3种单链Janus型纳米粒子表面活性剂（α-NPS、β-NPS和γ-NPS），并探究了其在水/油界面的形成、组装和堵塞行为。通过在聚丙烯酸侧链接枝荧光探针分子，实现对3种NPS界面组装行为的荧光可视化监测。研究发现，NPS的界面活性和结合能与主客体络合物的结合常数呈正相关，且界面结合能较小的NPS可被界面结合能较大的NPS替换，最大化降低体系自由能。例如，α-NPS、γ-NPS可被β-NPS替换；γ-NPS可被α-NPS替换（图2）。
图2. 可视化监测NPS在水/油界面的动态交换行为。
三种NPS均表现出温度响应性（高温下主客体络合物解离，低温下主客体络合物形成），响应温度与结合常数呈正相关。与α-NPS和γ-NPS相比，具有较高界面结合能的β-NPS可通过在水/油界面的堵塞相变显著提高界面组装体的机械强度，抑制界面张力驱动的液体形态变化，进而构筑具有高度非平衡态形状的结构化液体。如图3所示，在外力作用下，液滴可被塑造、切割成各种形状。同时，基于β-NPS的温度响应性，构筑的结构化液体在70 oC时可逐渐回复至平衡态球形液滴；在冷却到室温后，又可进行二次加工成型。利用这一特性，可通过控制加热时间，在不改变原有液体形状的基础上，实现液体之间的“焊接”和模块化液体器件的构筑。结合微流控技术可进一步实现内部物质的传输、混合及化学反应。该研究成果为开发新一代智能软物质器件提供了一种创新方法，在微反应器、生物检测等领域具有重要的应用前景。
图3. 液体的塑形和焊接。
该工作以“Thermal Welding of Liquids”为题发表于《Adv. Mater.》期刊上，第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心博士生温云辉，通讯作者为中心史少伟教授。本研究工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。
文章信息：
Yunhui Wen, Kaijuan Li, Jiaqiu Luo, Weixiao Feng and Shaowei Shi*. Thermal Welding of Liquids. Adv. Mater. 2024, 2403015. DOI: 10.1002/adma.202403015
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202403015