泡沫是日常生活中常见的现象:洗碗的时候将洗涤剂混合到水中、从玩具中吹出的肥皂沫、拿铁或奶茶中的泡沫……


泡沫内部为气体,外面包裹着一层很薄的液膜。由于薄膜干涉效应,在太阳光的照射下液膜厚度大于100 nm的泡沫会显示出彩虹色,但是厚度效小于100 nm的超薄液膜则是灰色。彩虹色的泡沫虽然美丽,但就如昙花一现般的很快就会消失。泡沫为什么会消失、怎么消失的?科学回答这个问题很有挑战性。


泡沫消失过程依然是个谜


人们对泡沫液膜的研究由来已久。有人采用干涉法对液膜厚度进行研究后发现,平均液膜厚度随着时间的推移逐步减小,这种减少为阶跃式,步长为Δh。有的研究表明带电胶束或乳胶粒子的泡沫膜由于形成了“有序胶体晶体”(OCCs)才发生了分层,这是导致液膜厚度降低直至泡沫消失的原因,而且Δh等于胶束间距d,但迄今为止还没有研究支持OCCs的存在,因此泡沫消失过程仍然是个谜。


成果介绍


要想弄清楚胶束间距和相互作用往往需要借助小角x光或中子散射(SAXS或SANS)、表面张力仪或者原子力显微镜等大型设备,加利福尼亚大学Samanvaya Srivastava、伊利诺伊大学芝加哥分校Vivek Sharma团队利用一台高速单反相机和反射光显微镜,在25~250 mM浓度范围内研究了十二烷基硫酸钠(SDS)胶束的结构以及胶束液膜由于分层而逐步变薄的过程,发现但在一定浓度下,液膜厚度随时间不断降低,但降低步长Δh保持不变。当SDS浓度从50增加到250 mM时,Δh从13减少到7 nm,Δh与胶束间距相当。这一研究成果揭示了泡沫消失过程中液膜的变化规律,解开了液膜研究过程中困扰研究者的三个谜团,对于开发新型食品、化妆品和药物具有重要帮助。


一杯“奶茶”,一台单反相机和反射光显微镜,科学家弄清了泡沫消失之谜

图1. 实验装置示意图和典型液膜厚度随时间变化曲线。


研究者将一台高速单反相机和反射光显微镜结合在一起,由于在泡沫液膜的两个气液界面处会发生反射光的干涉现象,就利用高速相机来捕捉这种反射光强度的变化,以此对液膜变化过程进行观察。发现在不同SDS浓度下,液膜厚度随时间呈阶梯状下降,当SDS浓度从50增加到250 mM时,步长的减少量Δh从13减少到7 nm。


一杯“奶茶”,一台单反相机和反射光显微镜,科学家弄清了泡沫消失之谜

图2. 在SDS浓度为50和250 mM的溶液中液膜随时间的变化过程。


研究者在SDS浓度为50和250 mM的溶液中观察了液膜随时间的变化过程,不同厚度的液膜在图像中表现出不同的灰色,它们之间存在明显的界面,随着颜色越来越暗,整个膜的平均厚度随之减小,而且暗部区域成核的数量也随之减少。从图2还可以看到,液膜在整个过程中都在不断变化,除了有平坦区域(颜色均一的灰色地带)外,还有一些纳米脊和平台等不平坦区域,在图2h中出现的一串白色圆点实际是一些凸起的平台,平面尺寸为微米级,厚度是纳米级。


一杯“奶茶”,一台单反相机和反射光显微镜,科学家弄清了泡沫消失之谜

图3. 采用SAXS分析不同SDS浓度下的胶束特征。


研究者又采用SAXS,在25~225 mM浓度范围内研究了SDS胶束结构。当SDS浓度从25增加到60 mM,形状因子P(q)逐渐降低,说明胶束体积在增大,但浓度进一步增加,体积变化不显著;结构因子S(q)随浓度的增加不断增大,说明胶束间相互作用不断增强、间距d不断减少。


通过对P(q)进行拟合,研究者发现胶束为椭球体,短轴和长轴半径分别为1.3和2 nm,壳厚度约为0.75 nm。


一杯“奶茶”,一台单反相机和反射光显微镜,科学家弄清了泡沫消失之谜

图4. 将S(q)、Δh和d进行对比。


研究者将SAXS结果与单反+反射光显微镜的分析结果进行对比。发现胶束在溶液中无序排列,从图4B可以看到,胶束间距d与Δh非常吻合,随SDS浓度的增加,这两个参数呈幂律规律下降,指数为-1/3。而且无论在气液界面还是溶液本体中,胶束间的相互作用都一样。


小结:为了阐明泡沫破灭过程中液膜的分层变化规律,研究者采用高速单反相机和反射光显微镜对SDS泡沫进行了观察,解决了三个分层过程中悬而未决的机理问题:①泡沫液膜厚度降低的步长Δh等于胶束间距d;②采用SAXS对胶束结构进行观察,没有发现“有序胶体晶体”(OCCs)的存在;③振荡结构分离压力是影响泡沫液膜稳定性和微观形貌的重要因素,基于流体动力学的薄膜方程可以很好的描述分层过程。



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