北京科技大学王国杰教授团队Small：多功能pH响应Gemini表面活性剂
2025-07-21 15:34:09
作者：本网发布 来源：高分子科学前沿
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Gemini表面活性剂作为一种能显著降低界面张力的新型材料，在油水分离、湿电子化学品和微反应器等领域应用广泛，但其固定的分子结构限制了动态界面调控能力。近日，北京科技大学王国杰教授团队开发出一种新型的pH响应型Gemini表面活性剂分子GTL，可根据pH变化动态切换分子构象（pH≥8.0时为双子构型GTL，pH≤6.0时为单链构型TL+），实现了可逆油水分离、结构化液体构建、3D打印及热绝缘气凝胶制备等多功能集成（图1）。这一突破性成果为智能材料设计提供了新思路，相关研究成果以“Multifunctional pH-Responsive Gemini Surfactant”为题发表于Small，博士研究生胡斌为该研究工作的第一作者，青年教师吴振和王国杰教授为通讯作者。
图1. pH响应Gemini表面活性剂的多功能应用研究团队通过密度泛函理论计算揭示了GTL在油水界面的pH依赖性吸附机制：碱性条件下GTL的电荷平衡结构增强油水亲和力，降低界面张力至≈3 mN·m-1；酸性条件下TL+的亲水性提升导致界面张力升至≈27 mN·m-1，实现乳化/破乳动态切换。基于此，GTL作为智能乳化剂，可通过CO2/Ar刺激实现10次以上可逆循环。实验表明，GTL稳定的乳液在通入CO2气体2分钟内实现快速破乳，而通入Ar气体30分钟后能重新乳化，乳化层高度和液滴尺寸无明显衰减，为高效油水分离提供了可持续解决方案（图2）。
图2. Gemini表面活性剂的pH响应行为及乳液的可逆气体响应GTL在酸性条件下与硫酸化纤维素纳米晶（CNC-OSO3-）通过静电作用共组装，在油水界面形成致密“堵塞”薄膜，赋予界面良好的机械性能。TL+与CNC-OSO3-之间的强静电吸引驱动了结构液体的形成。利用这一特性，团队开发了全液体成型技术：在四氯化碳中预润湿GTL后，注入酸性CNC-OSO3-溶液，通过界面自组装锁定形状，成功制备出高保真字母结构（如“A”和“USTB”），并实现30分钟以上形状维持。该结构化液体对pH敏感，碱性条件下可逆分解，为微流控和可编程反应器提供了新平台（图3）。
图3. pH响应型Gemini表面活性剂通过与纤维素纳米晶界面共组装构建结构化液体GTL/CNC-OSO3-稳定的高内相乳液（油相体积80%）在酸触发下形成乳液凝胶，表现出剪切变稀和固态流变特性（G′ > G″）。乳液凝胶EG102（含10 mg·mL-1CNC-OSO3-和2 mg·mL-1 GTL）具备自支撑能力，可作为3D打印墨水：在空气中成功打印雪花和中国结等复杂图案，在石蜡中打印的空心圆柱体（高度5 mm）可维持30分钟无坍塌。此外，乳液凝胶EG302（含30 mg·mL-1CNC-OSO3-）经冷冻干燥制得轻质气凝胶（密度≈7.6 mg·cm-3），该气凝胶在70℃热台上放置30分钟后表面温度仅43.3℃(ΔT=26.7℃），在150℃下ΔT仅达67.6℃，展现了优秀的热绝缘性能（图4）。
图4.pH响应型Gemini表面活性剂用于3D打印和隔热气凝胶该工作不仅揭示了pH响应Gemini表面活性剂的动态界面调控机制，还通过静电共组装策略实现了可逆油水分离、结构化液体构建、3D打印及热绝缘气凝胶制备等多功能集成。GTL表面活性剂兼具刺激响应性、界面工程化和扩展加工性，为油水分离技术和可编程材料等提供了新范式。未来，该材料有望在智能采油、软体机器人及能源管理领域发挥重要作用。该研究工作得到了国家自然科学基金（52473069，51373025），北京市自然科学基金（2242044）和北京科技大学青年教师学科交叉研究培育项目（中央高校基本科研业务费FRF-IDRY-24-030），中国博士后科学基金（2023M730311），以及“新世纪优秀人才支持计划”（NCET-11-0582）等项目的资助。
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