近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所納米材料與器件技術研究部與美國加州大學河濱分校教授殷亞東合作，構建出新型瞬態乳液氣溶膠體系，實現了不對稱超結構自組裝。相關研究結果日前發表于《先進材料》。
突破傳統：構建瞬態乳液氣溶膠新體系
傳統乳液體系中，乳液液滴在界面張力作用下自發形成球形結構，這一特性使其在食品科學、生物醫藥、材料合成等領域獲得廣泛應用。然而，球形結構的對稱性特征限制了其性能的進一步提升。
在乳液體系中引入不對稱性，有望顯著增強結構復雜性，乃至構建出具有突破性性能的新型超結構。但如何克服表面張力的限制實現不對稱形態的構建，一直是極具挑戰性的熱力學難題。傳統方法通過嵌套多相乳液或添加復雜乳化劑調控界面張力，以形成嵌套的雙重或多重乳液，但其面臨乳液體系極不穩定、乳化劑易造成污染、且液滴尺寸難以微米級微縮化等瓶頸問題，這些極大限制了其后續實際應用。
基于上述原因，研究團隊在前期提出的瞬態乳液體系上，創新性地提出了將兩相液體霧化后交匯融合，成功構建出全新的瞬態乳液氣溶膠體系。
該體系具有三大突出優勢：無表面活性劑，利用兩相界面動態擴散特性，實現界面張力自然趨近于零，完全避免了傳統乳化劑的污染問題，保障功能單元的“本征性能”；空中自組裝，氣溶膠環境中實現了快速、清潔的合成過程，易于規模化；尺寸與形貌可調，通過調控霧滴尺寸、濃度等參數，可設計超結構的幾何特征與物理化學性質等。
基于該體系，以嵌套的瞬態乳液液滴為模板進行限域自組裝，可以制備出傳統球形乳液無法實現的各向異性超結構。例如，研究團隊成功實現了單分散金納米粒子有序自組裝形成典型的半球形超結構。
應用前景：從微透鏡到功能涂層
研究團隊進一步深入揭示了該體系的自組裝機制。水相因密度差異沉降于正丁醇液滴底部，形成動態不對稱界面；隨后，納米粒子在快速擴散的兩相界面處自發富集，通過溶劑的不對稱輸運引發類似金屬擴散中的“柯肯達爾效應”，導致超結構內部發生選擇性空腔化；最終，形成不對稱半球型、中空或多級的復雜超結構。
基于這項技術，研究團隊成功制備出具有放大倍數可調的二氧化硅微透鏡超結構。這種新型微透鏡可顯著提升光通量數值孔徑，有望突破傳統光學顯微鏡的分辨率極限；且其獨特的可移除特性，使其在珍貴生物樣本觀測等特殊場景中展現出獨特優勢。
此外，該瞬態乳液氣溶膠展現出的連續自組裝能力，可直接在基底表面構建富含復雜微米級凹凸結構的涂層。這些涂層展現出優異的光擴散性能（低霧度、高亮度），在微型發光二極管顯示、光學器件等領域具有廣闊應用價值。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202420269