Janus液滴制备

合集下载

气泡janus结构 -回复

气泡janus结构-回复气泡Janus结构（Bubble Janus Structure）是一种具有新颖结构和多功能性质的材料。

它由两种不同的材料组成，其中一种材料覆盖在另一种材料上，形成类似奶油夹心饼干的结构。

而这两种材料在表面上具有不同的性质，例如疏水性和亲水性。

这使得气泡Janus结构在许多应用领域中具有广泛的应用前景。

这种特殊的结构可以通过多种制备方法获得，其中包括沉积法、模板法和自组装法等。

这些方法中，最常见的制备方法是沉积法。

通过这种方法，第一种材料会首先从溶液中沉积在底层材料的表面上，然后通过控制溶液的pH、温度或浓度等参数来使第一种材料在底层材料的表面上均匀覆盖。

接着，第二种材料会被沉积在第一种材料上，形成一个覆盖在另一种材料上的薄层结构。

通过这种方法，可以控制气泡Janus结构的大小、形状和组装密度。

气泡Janus结构的多功能性质使其具有广泛的应用潜力。

首先，由于其双层结构，这种材料既具有疏水性，又具有亲水性。

这使得气泡Janus结构在液体分离、油水分离和液滴分离等领域中具有广泛的应用前景。

例如，在油水分离领域中，可以将含油水体与气泡Janus结构接触，由于疏水性表面的存在，油被吸附在气泡Janus结构上，并从水中分离出来。

同时，亲水性表面将保持在水中，实现了油水分离的目的。

除此之外，气泡Janus结构还可以在催化、传感和微纳加工领域中发挥重要作用。

在催化领域，可以利用气泡Janus结构的双层表面性质，分别提供不同的催化活性。

这样一来，可以实现对特定反应底物的选择性催化，从而提高催化反应的效率。

在传感领域，气泡Janus结构的疏水性表面可以用于吸附和浓缩目标物质，而亲水性表面可以用于检测和传递信号。

这为生物传感和环境监测等领域提供了新的解决方案。

此外，气泡Janus结构还可以在微纳加工领域中应用于微纳器件的制备。

由于气泡Janus结构的双层表面性质和可控的组装密度，可以通过控制和调节结构的形状和大小来实现微纳器件的精准制备。

janus薄膜制备方法

janus薄膜制备方法
制备Janus薄膜的方法有很多种，其中一种常见的方法是利用氨诱导相转化法。

以下是详细的步骤：
1. 制备具有微球结构的原始超疏水PVDF膜，其厚度为100μm，孔径为100nm。

2. 将超疏水PVDF膜夹在装有Ca(NO3)2水溶液（上玻璃管）和Na3PO4
水溶液（下玻璃管）的两个玻璃管之间。

3. 将整个实验装置置于70℃的热水浴中。

4. 在化学沉淀过程中，Ca2+沿PVDF膜向下扩散，PO43-沿PVDF膜向上扩散。

5. 当两种离子接触后，针状HAP纳米晶便选择性聚集在超疏水PVDF膜的底部，实现厚度方向浸润性梯度的构筑，从而得到亲/疏水Janus膜。

此外，还可以通过连续静电纺丝工艺和MXene水溶液喷涂技术来制备具有全季节辐射冷却、低压焦耳加热、热伪装、超高EMI屏蔽性能的Janus型
复合薄膜。

以上方法仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅专业书籍或咨询专业人士。

自然启发的janus结构

自然启发的janus结构Janus结构是一种自然启发的材料结构，其命名来自古罗马神话中的两面神Janus，因为该结构具有两个不同的特性或功能。

这种结构的设计是受到自然界中一些有趣而引人注目的现象启发的。

自然界中存在许多具有Janus结构的生物材料，如蝴蝶翅膀、鸟嘴等。

这些生物材料的独特结构赋予它们优异的性能。

借鉴自然界的启示，科学家们开始研究人工合成的Janus结构材料，并在许多领域应用。

Janus结构的特点是其两个不同的表面具有不同的性质。

通常，一个表面具有亲水特性，而另一个则具有疏水特性。

这种表面分离使得Janus结构在液体界面的调控以及液体润湿、抗粘附等方面具有巨大的潜力。

具有Janus结构的材料在润湿方面表现出色。

通过控制Janus结构的组成和形貌，我们可以实现材料表面的选择性湿润，从而在液体润湿和分离等应用中发挥作用。

此外，Janus结构还可以用于微流体传输和液滴操控，具有重要的生物医学和纳米技术应用潜力。

另一个Janus结构的应用领域是抗粘附技术。

由于Janus结构的一面具有疏水性，可以有效地抵抗各种粘附，如水滴、油脂和细菌等。

这种抗粘附能力使得Janus结构在防污染、自清洁表面以及医疗器械等领域有着广泛的应用前景。

总之，自然界中类似Janus结构的材料给了我们很多启示，启发了人工合成的Janus结构材料的研究。

这种材料具有优异的润湿和抗粘附特性，在液体界面调控、微流体传输、防污染和医疗器械等领域有广阔的应用前景。

通过深入研究和应用，我们可以进一步发掘Janus结构的潜力，为各个领域带来更多的创新和发展。

Janus纳米材料的合成方法

Janus纳米材料的合成方法引言Janus纳米粒子是指由两种不同材料组成的纳米粒子，它们具有各自的特性，并在颗粒表面分布不均，形成了不同种类的表面，这使得它们具有多样的物理和化学性质。

因此，Janus纳米粒子在纳米技术、材料科学、生物医学和催化化学等领域中得到了广泛应用。

本文旨在介绍几种常见的Janus纳米材料的合成方法。

总体思路Janus纳米粒子的合成方法可以分为两类：物理合成和化学合成。

物理合成包括摩擦、熔敷、微流控制和电化学法等，而化学合成则包括相转化法、正交邻极区切换反应法、平面波光化学反应法和可控溶剂热法等。

物理合成方法摩擦合成法摩擦合成法是一种通过摩擦过程使两种不同材料粒子接触并生成Janus粒子的方法。

其原理是将两种不同材料的微粒在摩擦过程中接触，由于分子间吸附力或化学反应使其粘附在一起，并在接触面处形成Janus粒子。

熔敷法熔敷法是一种利用激光或电子束加热两种不同材料的纳米颗粒，使其熔融，然后重新凝固形成Janus粒子的方法。

通过控制激光或电子束的能量和位置，可以制备多种Janus纳米粒子。

微流控制法微流控制法是一种利用微型流体处理系统来合成Janus纳米粒子的方法。

在微型流动环境中，两种不同材料的溶液混合，然后在流体动力学作用下相互切割和重组，形成Janus粒子。

电化学法电化学法通过电极反应在电极界面上合成Janus纳米粒子。

一般来说，两种不同金属通过电解质溶液相互作用，使得其中一种金属在电化学反应过程中沉积在另一种金属表面上，从而形成Janus粒子。

化学合成方法相转化法相转化法是一种利用水热反应合成Janus纳米粒子的方法。

在水热反应中，金属离子与有机配体在高压高温的条件下发生反应形成金属配位聚合物，最终形成Janus纳米粒子。

正交邻极区切换反应法正交邻极区切换反应法是一种以分子识别为基础的，用于产生两种不同表面的Janus纳米粒子的方法。

在这种方法中，两种不同表面的表面活性剂分别被用于带电离子的水相和有机相中，去离子水和有机溶剂通过进行相互调节来进行匹配。

Janus纳米材料的合成方法

Janus纳米材料的合成方法纳米颗粒表面同时具有双重化学性质（极性/非极性、亲水/疏水等）为限制纳米材料功能化和分散等瓶颈问题提供有效的解决途径。

Janus纳米材料的制备是Janus纳米材料应用的必要前提，Janus纳米材料结构的复杂性决定了其制备方法的特殊性，该文就现有的制备Janus纳米材料的方法进行了简单的归纳总结。

标签：Janus；乳液；界面合1991年法国的科学家Pierre-Gilles de Gennes第一次用“Janus”描述纳米颗粒表面同时表现出不同的化学性质。

Janus材料指的是同一材料中具有明确界限的结构分区并同时具有两种截然不同的化学组分和化学性质的材料（如极性/非极性、亲水/疏水等）。

将Janus物质引入到不同的纳米材料中，制备具有不同结构和形貌的材料可以拓展纳米材料应用的领域。

例如，制备更有利于乳液分散和稳定的Janus纳米乳化剂，将在石油开采、污油回收处理等行业展现出巨大的应用前景。

目前，Janus胶体材料主要有以下几种制备方法：界面保护法、相分离法、微流体法和自组装法。

1 界面保护法Casagrande等人在1989年第一次阐述用玻璃珠的一半嵌入纤维素膜，然后对露在外侧的玻璃珠亲油改性，使其具有疏水性，未裸露在外的玻璃珠仍具有亲水性。

这种保护与去保护的制备路线成为界面保护法制备Janus胶体材料的核心思想。

随后Steve Granick等人将这一合成路线扩展到了三维层面。

先以改性后的SiO2纳米颗粒为乳化剂，利用两亲性形成石蜡/水的水包油型Pickering乳液，再将SiO2纳米颗粒就嵌入到石蜡表面，最后对裸露在石蜡外侧的SiO2纳米颗粒进行亲水改性，对SiO2纳米颗粒的另一侧进行疏水改性，最终制备得到具有Janus性质的SiO2纳米微球。

在这之后B. Liu等简化了这一制备路线，他们在Pickering乳液保护与去保护制备路线的基础上，引入了原子转移自由基聚合反应（ATRP），并在SiO2纳米颗粒的亲水/亲油两侧同时接枝聚合聚苯乙烯（PS）和聚丙烯酰胺（PAM），得了到另一种具有Janus性质的SiO2纳米微球。

新型乳化体系

三、替代传统乳化剂稳定油水界面的固体颗粒
能够替代传统乳化剂稳定油水界面的固体颗粒丰富多样，可分为无机颗粒、有机颗粒和聚合物颗粒。这些颗粒不但要求能同时被体系中的油、水两相部分润湿且不溶于两相，同时其表面电荷也不能过高，且颗粒尺寸要远远小于乳滴尺寸（制备Pickering乳液的颗粒粒径通常要比乳液粒径至少小一个数量级）
另一方面，对于目前使用的大多数水凝胶剂而言，其参与制备的水凝胶稳定性通常受添加剂等影响较大，这也是实际应用面临的主要问题之一，应用范围广的水凝胶剂还有待于进一步开发。
尽管目前对凝胶剂、两凝胶比例、制备工艺以及添加剂等对双凝胶体系性质的影响开展了相应研究，但研究工作不够系统，仍有诸多机理不明确，并且双凝胶体系结构复杂，体系间差异明显，尚需系统研究。
并缓慢释放。
锁水保湿性能
含有层状液晶结构的乳液保湿性能提高了大约3 倍；油水界面多层液晶结构中含有大量的结合水，起着贮存器的作用，能够长时间停留在皮肤表面为肌肤补充水分
肤感
乳液在涂抹过程中极易在皮肤表面铺展，具有良好的涂抹肤感。同时，乳液的液晶层是由乳化剂双分子层与结合水周期性层状排列而成，层与层之间由于含大量结合水而容易相对滑移，使乳更易铺展于皮肤表面，具有优于普通乳液的清爽、柔滑的肤感。
二、乳化剂方面的不足 ➢ 可制备较完美液晶乳液的乳化剂少； ➢ 一些液晶乳化剂只有在特定配方或工艺下才能形成液晶；
三、功能性方面的不足 ➢ 货架期内大多产品中液晶结构逐渐减少甚至消失； ➢ 目前还不能实现对产品内液晶层的目的性调控。
市面上已涌现多款宣称液晶乳化技术制备的各类功效不同、性能各异的化妆品如极润特浓保湿乳液、欧珀莱冻龄霜、TsT潮灵系列（舒缓乳液）、POLA的极光幻彩精华液、 SK-Ⅱ赋活修护精华霜以及薇诺娜、玉泽、希物集以及资生堂等品牌产品。对液晶乳化体系在化妆品领域的应用研究也越来越多，主要集中在保湿、防晒以及发用等产品。

含二氧化硅组份Janus纳米粒子的制备方法和应用研究进展

含二氧化硅组份Janus纳米粒子的制备方法和应用研究进展徐先魁;刘杰;徐梦达;任艳蓉【摘要】Janus纳米粒子的非对称结构赋予其在空间结构和物理化学性质的各向异性,在半导体、催化、分散介质、生物医药等领域表现出优于普通纳米材料特性,是近年来纳米材料的研究热点.近些年来的研究报道多集中在含二氧化硅组份的Janus纳米粒子上,按其化学组成主要分为无机物?二氧化硅和聚合物?二氧化硅两大类.按此分类分析比较了Janus纳米粒子的制备方法,并介绍了其在药物输送、表面活性剂和催化等领域的应用现状.【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2018(029)006【总页数】9页(P629-637)【关键词】Janus纳米粒子;二氧化硅;乳液法;气相沉积法;脱合金相法【作者】徐先魁;刘杰;徐梦达;任艳蓉【作者单位】河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】O63物理学家 de GENNES提出了Janus是一种同时具有两种不同化学性质的球形纳米粒子，并预测这种结构的纳米粒子将具有不错的应用前景，随后引起世界各个领域对Janus结构的广泛关注. 除此之外，Janus还用来表述不对称树枝状大分子、由嵌段共聚物形成的单分子胶束、棒状复合纳米微粒、哑铃型复合纳米微粒、草莓型复合纳米微粒、雪人型复合纳米微粒等具有两种不同化学性质和结构的纳米粒子[1]. 按其化学成分的不同可将其分为三大类：聚合物类、无机物类和聚合物-无机复合物类[2]. 拥有两面结构的Janus纳米粒子在组成、形状以及表面化学性质都具有各向异性，这些性质在生物领域和医学领域具有很大的关注度[3]. 和其他各向异性的纳米粒子不同的是，Janus纳米粒子与其他组份组合到一起后，Janus的光学特性、磁性和电子性能一般不会被改变、干扰或者完全丢失[4]. 因而Janus材料在各个领域都将有非常好的应用前景.二氧化硅(SiO2)作为纳米材料具有诸多的优点，如小尺寸效应、界面效应、光电特性等. SiO2制备方法简单、稳定性好、价格低廉[5]. 不仅如此，具有介孔结构的SiO2在药物分子的载体、传感、催化、吸附分离、生物成像和生物示踪等应用中具有良好的表现，因而将SiO2作为Janus粒子中的无机组份是近年来Janus粒子研究的主要方向. 从无机物-SiO2和聚合物-SiO2两大种类介绍近年来研究含SiO2组份的Janus粒子的制备方法，并对在药物输送、表面活性剂和催化等领域的应用研究作以总结.1 含二氧化硅组份Janus材料的种类1.1 无机物-SiO2 Janus纳米粒子因无机物-SiO2 Janus纳米粒子在药物载体、生物传感、自驱动马达和催化剂等方面的应用具有良好的表现，在工业和学术领域引起了很大的关注. 许多无机物-SiO2 Janus纳米粒子的制备方法已经被报道.PANWAR等[6]用乳液法制备了一种半草莓形的Ag-SiO2 Janus纳米粒子. 首先用Stöber法制备SiO2，并用环氧树脂和硫醇对其进行改性，将改性后的SiO2分散在融化的石蜡中，随着水的加入形成了稳定的乳液，冷却后石蜡胶体的表面被涂上一层SiO2纳米颗粒，然后加入AgNO3溶液，由于改性后的SiO2表面有-SH，Ag+被吸附在胶体外层的SiO2表面上，随着水合肼的加入Ag+被还原成Ag粒子，并附着在SiO2外侧的表面，除去胶体中的石蜡后得到半草莓形的Ag-SiO2 Janus纳米粒子. 该团队沿用该方法，将还原剂由水合肼替换成硼氢化钠，制备出具有抗菌效果的纤维织物以及可宏观表面增强拉曼散射的Janus纳米粒子[7-8]. BAE等[9]利用接触印刷法将二氧化钛(TiO2)在SiO2的表面区域选择性生长. 首先将SiO2在玻璃片上沉积，形成一个紧密多层的SiO2胶体层，然后对样品进行紫外臭氧处理，诱发SiO2胶体颗粒表面生成-OH，再将样品浸入到十八烷基三氯硅烷中(OTS)，用OTS覆盖在SiO2胶体层上，胶束颗粒的表面都被OTS覆盖，但是胶体颗粒之间的接触点没有被覆盖，用氯仿冲洗样品，除掉过剩的OTS，用胶带将上层SiO2与底层SiO2分离，底层的SiO2表面接触区域未被OTS覆盖，则该区域的SiO2完全暴露出来，TiO2会选择性的在该区域生长，从而形成不对称的SiO2-TiO2 Janus胶体粒子.MCCONNELLl等[10]用两步接触印刷法合成Au-SiO2 Janus纳米粒子. 如图1，在聚苯乙烯-丙烯酸无规共聚物 [P(S-r-AA)]的形成过程中，将氨基改性后的纳米SiO2部分沉入其中，用于保护底部SiO2，然后加入Au纳米粒子，通过静电作用，Au纳米粒子组装到SiO2的表面，从而制备出Au-SiO2 Janus纳米粒子.图1 Au-SiO2 Janus纳米粒子的形成机理图Fig.1 Schematic representation of the self-assembled formation of Au-SiO2 Janus particles采用配体连接金属与非金属来制备Janus粒子是一种很普遍的方法. SHAO等[11]报道了用该方法制备出棒状的Ag-SiO2 Janus粒子. 如图2所示，还原AgNO3溶液得到Ag纳米粒子，用溴化十六烷基三甲胺(CATB)对Ag纳米粒子进行表面改性，然后向Ag纳米粒子溶液中滴加正硅酸乙酯(TEOS)，在氨水的催化下，TEOS开始水解并在Ag纳米粒子表面逐渐增长，由于Janus的总表能σ>0，SiO2在多向生长的能量势垒高出定向很多，于是SiO2在Ag核的一侧生长，形成Janus结构的Ag-SiO2棒状纳米粒子. DONG等[12]用相似的方法制备了Au-SiO2 Janus 粒子，使纳米粒子具有高载药量的同时还具有pH-响应性释放药物的特性，并表现出较好的生物相容性.CHEN等[13]用两种竞争配体作用在Au纳米粒子上，与SiO2结合制备出雪人形的Au-SiO2 Janus纳米粒子. 如图3所示，首先在丙醇水溶液中用柠檬酸盐稳定Au纳米粒子，再用4-巯基苯基乙酸(4-MPAA)和聚丙烯酸(PAA)这两种竞争配体对Au纳米粒子进行改性，然后向Au纳米粒子溶液中滴加TEOS，接着用氨水催化. 随着TEOS的水解，Au纳米粒子部分包裹上了SiO2，形成了雪人形的Janus 纳米粒子，并且该形貌的纳米粒子占比率超过99%. 能形成稳定的雪人形Janus纳米粒子主要归功于对Au纳米粒子改性的两种配体，4-MPAA的-SH可以捕捉水解后生成的SiO2，能和SiO2的-OH反应生成硫醚键，使SiO2在Au纳米粒子上稳定逐渐的增长. PAA本身属于一种阻垢剂，通过吸附在Au纳米粒子表面，解离的-COOH提高了Au纳米粒子表面的电荷密度. -COOH显负电性，SiO2在丙醇中也显负电性，因此在Au纳米粒子表面形成的SiO2区域会与PAA区域相排斥，从而形成了雪人形的Au-SiO2 Janus纳米粒子. 不仅如此，根据需要调节两种配体的比例还可以制备核壳结构的纳米粒子. 该制备方法是在上一种方法的基础上稍作改进，采用两种竞争配体对Au纳米粒子进行改性，能精确控制Janus的结构. 图2 Ag-SiO2 Janus粒子的制备流程机理图Fig.2 Schematic diagram of the fabrication procedure for the Ag-SiO2 Janus particles图3 竞争配体促使Au-SiO2 Janus纳米粒子的形成示意图Fig.3 Schematic illustration of the ligand competition that led to the formation of JanusAu-SiO2SINGH等[14]用多相气相沉积法制备Ag-Si杂化纳米粒子. 利用磁控溅射仪，在氩气气氛中将Ag蒸汽和Si蒸汽混合沉积，通过调整沉积参数可以制备出5～15nm不同尺寸的Ag-Si杂化纳米粒子. 另外通过调整磁控功率可以制备出Janus结构和核卫星结构的杂化纳米粒子. 这是一种无机合成化学中较新的制备方法，在Janus制备中也是一种新的尝试.总的来说，乳液法可快速温和地制备出形状大小均一的Janus纳米粒子；接触印刷法可以快速又高效制备出复杂的结构；采用配体的制备方法属于表面生长法，需要对无机纳米粒子进行部分改性，使SiO2在其一侧生长，从而制备出不对称结构的Janus纳米粒子，该方法简单且易操作，可调控实验条件制备不同结构的纳米粒子；多相气相沉积法相比于以上两种方法其实验条件更苛刻，但是通过这种方法可以将两种结合困难的粒子组合到一起.1.2 聚合物-SiO2 Janus纳米粒子已经报道的聚合物-SiO2 Janus纳米粒子的制备方法主要包括乳液聚合法和表面生长法. 根据需要，将SiO2与不同的聚合物结合，可制备出具有pH刺激响应性、温度刺激响应性和两亲性的Janus纳米粒子，与SiO2结合在载药和吸附分离领域中有很好的应用前景.RUHLAND等[15]人用乳液聚合法制备了一种具有刺激响应性行为的半皇冠形SiO2-聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(SiO2-PMAEMA) Janus纳米粒子. 如图4所示，用纳米SiO2作聚醋酸乙烯(PVAc)乳液的稳定剂，采用原子转移自由基聚合法将PMAEMA嫁接到纳米SiO2外表面，随后除去PVAc便得到半皇冠形的SiO2-PMAEMA Janus纳米粒子. 他们发现在控制该纳米粒子pH和温度变化时，存在一种自组装的趋势，并在低pH和高浓度的情况下，发现一种线形自组装行为.图4 SiO2-PMAEMA Janus纳米粒子的合成示意图Fig.4 Schematic illustration of the fabrication procedure for the SiO2-PDMAEMA hybrid JanusnanoparticlesGE等[16]用乳液聚合法制备PS-SiO2各向异性杂化纳米粒子. 将甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPS)接至SiO2表面，MPS是一种硅烷偶联剂，可使SiO2与PS更好地结合，从而形成PS-SiO2杂化纳米粒子. 加入少量的水让SiO2聚集，疏水性的MPS仅与SiO2聚集体外表面的-OH反应，浸入水中的-OH不会被改变，这就造成SiO2一半疏水一半亲水的特性，将改性后的SiO2与PS单体混合，在γ-射线照射后制备出了PS-SiO2 Janus粒子. 并且控制PS单体-SiO2的重量比可制备出不同结构的Janus粒子(如蘑菇状、中空的蛋状、碗状). 该方法操作简单，反应条件温和，可控制Janus的形态结构. ARORA等[17]用同样的方法制备超疏水性PS-SiO2杂化纳米粒子. 不同的是，在制备PS-SiO2这一步时用冰水浴超声将PS单体和SiO2纳米粒子混合，从而得到在油相中分散性更好的纳米粒子.YIN等[18]用SiO2纳米粒子作为Pickering乳液的稳定剂，通过酸碱相互作用和静电相互作用来稳定水中的PS单体液滴，从而一步法制备出SiO2-PS Janus纳米粒子. 首先将SiO2、PS、水和少量1-乙烯基咪唑(1-VID)用超声处理混合，通过SiO2表面上的-OH(酸)与1-VID的氨基(碱)发生酸碱相互作用，使SiO2固定在PS单体液滴表面，形成了Pickering乳液. 在单体聚合过程中加入过硫酸钾，使聚合物尺寸增大，从而制备出具有不对称结构的SiO2-PS Janus胶束粒子. 该方法可以很容易地用PS单体对SiO2表面进行局部改性，实验操作简单，实验周期短. GUO等[19]同样采用粒子间的静电相互作用制备半草莓形的SiO2-PMAEMA-PS Janus纳米粒子，该制备方法操作简单，且能制备出具有可逆pH刺激响应性的纳米粒子.FEYEN等[20]用乳液聚合法制备了一种蘑菇形的各向异性Janus纳米粒子. 如图5所示，Fe3O4纳米粒子通过乳液聚合被PS固定起来，得到单分散的PS/二乙烯基苯-Fe3O4(PSD-Fe3O4)复合纳米粒子. 接着用改进的Stöber法将SiO2选择性地覆盖到Fe3O4的一面，于是形成了蘑菇形的杂化纳米粒子. 然后用盐酸对纳米粒子洗涤，洗掉Fe3O4核，得到空心结构的蘑菇形杂化纳米粒子. PARPAITE等[21]同样用乳液聚合法制备出两亲性的SiO2-PS Janus纳米粒子，并探究其作为乳液稳定剂以及作为PS/聚酰胺(PA)的增溶剂的表现.图5 (a)蘑菇形杂化纳米粒子合成机理 (b) Fe3O4-PSD-SiO2纳米粒子的暗场STEM图像(c) Fe3O4-PSD-SiO2 纳米粒子的SEM与暗场STEM的重叠图像(d) 盐酸洗涤后Fe3O4-PSD-SiO2 纳米粒子的TEM图像Fig.5 (a) Synthesis of mushroom nanostructures. (b) Dark fieldSTEM image and (c) SEM and dark field STEM overlapping image of Fe3O4-polymer-SiO2 NPs. (d) TEM image of Fe3O4-polymer-SiO2 NPs after HCl leachingZHANG等[22]用脱合金相法制备出珊瑚形结构的Janus多孔球体. 如图6所示，AlSi10球作为前驱体，用少量的盐酸刻蚀掉AlSi10球外壳的Al，得到一个多孔Si骨架结构的核，Si表面迅速被氧化成SiO2，采用硅烷偶联剂对硅骨架进行表面改性，然后将亲水性的PEG嫁接到硅骨架的表面. 接着用盐酸对AlSi10球进行进一步腐蚀，得到一个完全由SiO2骨架构成的多孔的球，在SiO2表面接枝上硅烷偶联剂，用十八烷基三甲氧基硅烷进行改性，将亲油性的十八胺嫁接到硅骨架表面上，然后用原子转移自由基聚合法将具有刺激响应性的异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)聚合在硅骨架上，从而制备出具有温度和pH双重刺激响应性的珊瑚型结构的Janus多孔球体. 球体骨架呈珊瑚形结构，进一步增大了Janus多孔球体的比表面积.图6 逐步脱合金法珊瑚形结构的Janus多孔球体制备示意图Fig.6 Illustrative Preparation of the Janus Coral-like Porous Sphere by Stepwise Dealloying 总得来说，制备聚合物-SiO2 Janus纳米粒子的方法主要是乳液聚合法. 乳液聚合法是一种快速而简单的制备方法，反应条件温和，可控制纳米粒子的结构. 对于SiO2来说，使用表面生长法也可合成不对称纳米粒子，SiO2表面有-OH，不需要表面改性可直接被聚合物的活性基团捕捉到，形成聚合物-SiO2杂化纳米粒子.脱合金相法制备的Janus粒子具有更大的孔隙，在吸附分离和载药领域具有很好应用前景，其制备方法简单，反应条件温和，但是纳米粒子结构不可预先设计，粒径不可调控.2 应用研究进展近年来，随着Janus粒子的制备方法不断发展，人们开始对它的应用研究进行大量探索，发现含SiO2组份的Janus粒子在药物载体、表面活性剂、催化剂等领域都具有广阔的应用前景[23-26].2.1 抗癌药物载体癌症是威胁人类健康的重要因素之一，并且随着我国人口的老龄化，癌症发病率在逐年增高. 传统癌症治疗方法有很大的局限性，由于化疗法和热切除法治疗的单一性，导致癌症的治疗效果一般且对癌细胞周边的组织损伤太大，使患者在治疗过程中承担过多的痛苦. 随着医疗水平的不断改善，癌症的治疗方法有了新的研究进展. 光热疗法被认为是一种最有希望的治疗方法，Janus粒子可以用作光热疗剂的载体，将难以在体内传送的药物靶向输送到患区，并通过体外刺激释放药物. WANG等[27]制备了一种含SiO2的Janus粒子，这种纳米粒子由Ag和介孔SiO2组成.Ag和SiO2都具有良好的生物相容性，Ag纳米粒子在近红外光照射下可释放Ag+，并产生大量的热，Ag+受热产生活性氧使癌细胞窒息而死. 另一部分是介孔SiO2，其具有大的比表面积，因此可以将靶向药物和光热疗剂大量负载在介孔SiO2上. 将Janus粒子输入体内，可自动快速靶向到患区，通过体外近红外光照射，光热疗剂与Ag协同作用可以有效杀死癌细胞.LU等[12]制备了一种可用作放化疗药物载体和计算机断层扫描(CT)成像剂的Janus纳米粒子. 该纳米粒子由Au粒子和介孔SiO2组成，介孔SiO2孔径内负载放化疗药物阿霉素(DOX)，其表面包裹靶向药物叶酸(FA)和生物相容性好的PEG，能保证载体进入人体后不会被清除并且快速靶向输送到病灶区，并根据癌细胞区域pH小于正常体细胞的特性，利用该Janus纳米粒子的pH响应性，在病灶区域选择性释放DOX使癌细胞凋亡. 同时，Au纳米粒子具有表面等离子共振特性，使纳米粒子可作为CT成像工具，并且随着纳米粒子浓度的增高，CT信号越来越强. 如图7所示，载药后的Janus纳米粒子(FA-Janus NPs-DOX)使肿瘤部位的CT值更高，说明FA-Janus NPs-DOX可以选择性地沉积到肿瘤部位并提高CT信号，这个结果表明FA-Janus NPs-DOX是一个理想的候选CT成像剂.图7 (A)不同浓度(0.5～10 g/L) FA-Janus NPs-DOX水溶液的CT图像 (B)不同浓度(0.5～10 g/L) FA-Janus NPs-DOX水溶液的CT值 (C)移植裸鼠体内的SMMC-7721肿瘤细胞在注射FA-Janus NPs-DOX和Janus NPs-DOX 24 h后的CT图像 (D)体内注射24 h后肿瘤细胞和不同器官的放射计数Fig.7 (A) CT images of distilled water and FA-Janus NPs-DOX at various concentrations (0.5-10 g/L). (B) CT attenuation (HU) of FA-Janus NPs-DOX at various concentrations (0.5-10 g/L). (C) In vivo CT images of SMMC-7721 tumor-bearing nude mice at 24 h post-injection with FA-Janus NPs-DOX or Janus NPs-DOX. (D) Radiation counts of tumor cells and different organs after 24 h in vivoCHANG等[28]制备了两种含SiO2的磁性纳米粒子，分别是核壳结构和棒状Janus结构，并将这两种纳米粒子用于探测并隔离血液中流通的癌细胞. 在制备过程中将磁性纳米粒子Fe3O4与荧光素混合，使纳米粒子具有荧光成像能力，在SiO2上负载上皮细胞黏附分子(EpCAM)抗体，使纳米粒子获得癌细胞靶向能力. 将两种结构的纳米粒子添加到人类乳腺癌细胞的悬浮液中，在癌细胞快速扩散的条件下，纳米粒子能将其捕捉隔离并释放较强的荧光信号，由于结构的差别，Janus结构的纳米粒子捕捉效率和荧光强度分别为到95%和0.9，核壳结构纳米粒子的捕捉效率和荧光强度分别为90%和0.7，两者性能均较优秀，但Janus由于独特的两面结构，在捕捉效率和荧光成像能力方面性能更突出.2.2 表面活性剂由于Janus粒子具有独特的两面结构，因此可以考虑将Janus纳米粒子作为分子表面活性剂，用于乳液稳定剂. Janus粒子两面可分别由亲水性和疏水性物质组成，使其在油水界面上有很强的吸附作用，从而可作为乳液的有效稳定剂.FUJII等[29]将Au纳米粒子和SiO2组合到一起，制备出两亲性Janus纳米粒子，Au和SiO2分别具有疏水性和亲水性. 如图8所示，Au-SiO2纳米粒子分别分散在五氟苯乙烯(PFS)-水以及聚五氟苯乙烯(PPFS)-水两相溶液中，粒子被吸附在两相界面上，形成单层且稳定的近球形液滴，在放置超过一年的情况下依然能保持稳定.图8 (a) Au-SiO2 Janus纳米粒子稳定PFS液滴的光学显微镜图 (b) Au-SiO2 Janus纳米粒子稳定PPFS微粒的光学显微镜图 (c) Janus粒子稳定PPFS微粒的SEM图 (d) Janus粒子稳定PPFS微粒的截面图Fig.8 (a) OM images of Au-SiO2 Janus particle-stabilized PFS droplets (b) OM images of Au-SiO2 Janus particle-stabilized PPFS microspheres dispersed in aqueous media. (c) SEM images of the Janus particle-stabilized PPFS microsphere. (d) Cross section image of the Janus particle-stabilized PPFS microspherePASSAS-LAGOS等[30]制备了一种蘑菇形的Fe3O4-PSD-SiO2 Janus杂化纳米粒子，并探究了其作为表面活性剂的表现. 作者用该纳米粒子作为甲苯-水以及植物油-水的Pickering乳液的表面活性剂，结果表明该纳米粒子可以成功地稳定这两种乳液，并且发现SiO2半球的粒径越小稳定效果越好，因为较大的SiO2体积会影响乳液滴的形成.KIM等[31]使用微流体法制备一种半月形结构的两亲性Janus纳米粒子. 该纳米粒子由亲水性的SiO2和亲油性的氟代烃构成，亲水性部分为凸面，亲油性部分为凹面，这种特殊结构可以保证纳米粒子在油滴界面上有足够高的表面密度，防止液滴之间相互接触从而提高乳液稳定性. 该特殊的结构的两亲性颗粒显著地增强了油-水界面的稳定性.2.3 催化剂金属纳米粒子有表面等离子体共振特性，可吸收光谱中可见区域的辐射，当光照射金属纳米粒子时，纳米粒子吸收并激发金属离子产生电子-空穴对，最终发生催化反应. 由于金属元素有d带空穴的存在，使之有从外界接受电子并与吸附物种成键的能力，因此含金属的Janus粒子具有催化活性.KIRILLOVA等[32]以SiO2为核，制备了一种具有催化活性的纳米粒子. 在SiO2两面分别嫁接亲水性聚合物(PAA)和疏水性聚合物(PS)，将具有催化活性的Ag+渗透到亲水性聚合物基中，加入还原剂将金属离子还原成金属纳米粒子. 文章报道了用该纳米粒子催化还原两种染料甲基蓝和曙红Y以及对硝基苯酚，仅用很少量的该粒子即可成功地将两种染料和对硝基苯酚还原.WU等[33]制备了一种核壳结构的SiO2-TiO2 Janus纳米粒子. 该纳米粒子以SiO2为核，TiO2为壳，高温煅烧后TiO2壳呈颗粒状附着在SiO2表面. 作者探究了在阳光照射下SiO2-TiO2纳米粒子对亚甲基蓝降解的光催化活性. 结果表明，SiO2-TiO2纳米粒子具有良好的光催化活性. 作者通过添加不同的捕获剂，研究了光催化机理. 研究发现加入0.003 mol/L的I-比加入同量的Ag+对亚甲基蓝的降解效果更显著，这表明在亚甲基蓝的氧化过程中光产生的空穴可能比光注入的电子发挥更重要的作用.GAO等[34]制备了一种由SiO2和铱组成的两面结构的Janus纳米粒子. 由于铱的催化活性，该纳米粒子可催化肼分解放出N2从而获得推进动力，该粒子可在极低浓度(0.000 000 1%)的化学燃料下仍有自驱动行为，该浓度相当于普通自驱动纳米马达所需化学燃料的万分之一.3 结论对近几年关于含SiO2 组份Janus材料的文章进行了总结，整理出该材料的制备方法和各自的优缺点，以及其独特的性质和应用方向. 无机物-SiO2 Janus纳米粒子的制备方法主要有乳液法、接触印刷法、表面生长法和气相沉积法，聚合物-SiO2 Janus纳米粒子的制备方法主要有乳液聚合法和脱合金法. 该类材料具有较高的比表面积，在抗癌药物载体、表面活性剂和催化剂等领域具有很好的发展潜力.参考文献：【相关文献】[1] PERRO A, RECULUSA S, RAVAINE S, et al. Design and synthesis of Janus micro-and nanoparticles [J]. Journal of Materials Chemistry, 2005, 15(35/36): 3745-3760.[2] JING H, ZHOU S, SUN Y, et al. ChemInform Abstract: fabrication, properties and applications of Janus particles [J]. Chemical Society Reviews, 2012, 41(11): 4356-4378. [3] LATTUADA M, HATTON T A. Synthesis, properties and applications of Janus nanoparticles [J]. Nano Today, 2011, 6(3): 286-308.[4] TRAN L T, LESIEUR S, FAIVRE V. Janus nanoparticles: materials, preparation and recent advances in drug delivery [J]. Expert Opinion on Drug Delivery, 2014, 11(7): 1061-1074. [5] 江楠, 宋晓岚, 徐大余. 纳米SiO2复合材料研究进展[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2007, 12(5): 272-276.JIANG N, SONG X L, XU D Y. Research process of nano-silica composites [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2007, 12(5): 272-276.[6] PANWAR K, JASSAL M, AGRAWAL A K. In situ synthesis of Ag-SiO2 Janus particles with epoxy functionality for textile applications [J]. Particuology, 2015, 19: 107-112.[7] PANWAR K, JASSAL M, AGRAWAL A K. Readily dispersible antimicrobial Ag-SiO2 Janus particles and their application on cellulosic fabric [J]. Carbohydrate Polymers, 2018, 187: 43-50.[8] PANWAR K, JASSAL M, AGRAWAL A K. Ag-SiO2 Janus particles based highly activeSERS macroscopic substrates [J]. Applied Surface Science, 2017, 411: 368-373.[9] BAE C, MOON J, SHIN H, et al. Fabrication of monodisperse asymmetric colloidal clusters by using contact area lithography (CAL) [J]. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(46): 14232-14239.[10] MCCONNELL M D, KRAEUTLER M J, YANG S, et al. Patchy and multiregion Janus particles with tunable optical properties [J]. Nano Letters, 2010, 10(2): 603-609.[11] SHAO D, ZHANG X, LIU W, et al. Janus Silver-mesoporous silica nanocarriers for SERS traceable and pH-sensitive drug delivery in cancer therapy [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(7): 4303-4308.[12] WANG Z, SHAO D, CHANG Z, et al. Janus gold nanoplatform for synergetic chemoradiotherapy and computed tomography imaging of hepatocellular carcinoma [J]. ACS Nano, 2017, 11(12): 12732-12741.[13] CHEN T, CHEN G, XING S, et al. Scalable routes to Janus Au-SiO2 and ternary Ag-Au-SiO2 nanoparticles [J]. Chemistry of Materials, 2010, 22(13): 3826-3828.[14] SINGH V, CASSIDY C, GRAMMATIKOPOULOS P, et al. Heterogeneous gas-phase synthesis and molecular dynamics modeling of Janus and core-satellite Si-Ag nanoparticles [J]. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(25): 13869-13875.[15] RUHLAND T M, MCKENZIE H S, SKELHON T S, et al. Nanoscale hybrid silica/polymer Janus particles with a double-responsive hemicorona [J]. Polymer, 2015, 79: 299-308. [16] GE X, WANG M, YUAN Q, et al. The morphological control of anisotropic polystyrene/silica hybrid particles prepared by radiation miniemulsion polymerization [J]. Chemical Communications, 2009, 19: 2765-2767.[17] ARORA R, MOSCH W. Fabrication of raspberry SiO2/polystyrene particles and superhydrophobic particulate film with high adhesive force [J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(12): 5784-5791.[18] YIN Y, ZHOU S, YOU B, et al. Facile fabrication and self-assembly of polystyrene-silica asymmetric colloid spheres [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2011, 49(15): 3272-3279.[19] GUO R, CHEN X, ZHU X, et al. A facile strategy to fabricate covalently linked raspberry-like nanocomposites with pH and thermo tunable structures [J]. RSC Advances, 2016, 6(47): 4099-41001.[20] FEYEN M, WEIDENTHALER C, SCHÜTH F, et al. Regioselectively controlled synthesis of colloidal mushroom nanostructures and their hollow derivatives [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(19): 6791-6799.[21] PARPAITE T, OTAZAGHINE B, CARO A S, et al. Janus hybrid silica/polymer nanoparticles as effective compatibilizing agents for polystyrene/polyamide-6 melted blends [J]. Polymer, 2016, 90: 34-44.[22] ZHANG H, WANG Q, JIANG B, et al. Coral-like Janus porous sphere [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(48): 33250-33255.[23] CUI Z G, YANG L L, CUI Y Z, et al. Effects of surfactant structure on the phase inversion of emulsions stabilized by mixtures of silica nanoparticles and cationic surfactant [J]. Langmuir, 2010, 26(7): 4717-4724.[24] WANG Z, CHANG Z, LU M, et al. Janus silver/silica nanoplatforms for light-activated liver cancer chemo/photothermal therapy [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017,9(36): 494-498.[25] MANE G, AKILAVASAN J, PASSASLAGOS E, et al. Site-selective TiO2 coating on asymmetric patchy particles [J]. Langmuir, 2017, 33(40): 10561-10567.[26] KIM J, CHOI C H, YEOM S J, et al. Directed assembly of Janus cylinders by controlling the solvent polarity [J]. Langmuir, 2017, 33(30): 7503-7511.[27] WANG Z, CHANG Z, LU M, et al. Janus silver/silica nanoplatforms for light-activated liver cancer chemo/photothermal therapy [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017,9(36): 494-498.[28] CHANG Z, WANG Z, SHAO D, et al. Shape engineering boosts magnetic mesoporous silica nanoparticle-based isolation and detection of circulating tumor cells [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(13): 10656-10663.[29] FUJII S, YOKOYAMA Y, MIYANARI Y, et al. Micrometer-sized gold-silica Janus particles as particulate emulsifiers [J]. Langmuir, 2013, 29(18): 5457-5465.[30] PASSAS-LAGOS E, SCHUTH F. Amphiphilic pickering emulsifiers based on mushroom-type Janus particles [J]. Langmuir, 2015, 31(28): 7749-7757.[31] KIM S H, ABBASPOURRAD A, WEITZ D A. Amphiphilic crescent-moon-shaped microparticles formed by selective adsorption of colloids [J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(14): 5516-5524.[32] KIRILLOVA A, SCHLIEBE C, STOYCHEV G, et al. Hybrid hairy Janus particles decorated with metallic nanoparticles for catalytic applications [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(38): 21218-21225.[33] WU L H, ZHOU Y F, NIE W Y, et al. Synthesis of highly monodispersed teardrop-shaped core-shell SiO2/TiO2 nanoparticles and their photocatalytic activities [J]. Applied Surface Science, 2015, 351: 320-326.[34] GAO W, PEI A, DONG R, et al. Catalytic iridium-based Janus micromotors powered by ultralow levels of chemical fuels [J]. Journal of the American Chemical Society, 2014,136(6): 2276-2279.。

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征*彭家略郭浩尤天涯纪献兵† 徐进良(华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室, 北京　102206)(2020 年8 月18日收到; 2020 年9 月10日收到修改稿)为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征, 以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus 颗粒, 用直径为2.0 mm的液滴, 在韦伯数(We)为2.7, 10, 20, 30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验. 结果表明: 液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程. 在不同We下, 液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关, 在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数g随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定; 但在疏水侧, 表现为回弹现象, 铺展系数g会出现类似“抛物线”形状; 当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时, 液滴铺展和回弹同时发生. 基于能量平衡和受力分析发现, 液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键, 液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.关键词：润湿性, 液滴, 碰撞, Janus颗粒PACS：47.55.Ca, 47.55.nd, 47.55.df　DOI: 10.7498/aps.70.202013581 引　言液滴碰撞壁面现象广泛存在于大自然中, 与MEMS、喷涂、农药喷洒和喷雾冷却等[1−5]农业、工业过程息息相关, 因此液滴碰撞壁面的行为特征引起了研究者的极大关注. 液滴碰撞后的行为受液体性质、表面几何形状、表面润湿性、液滴碰撞速度[6−10]等多种因素的综合影响, 会发生铺展、回缩、液滴分离、飞溅等行为. 目前, 液滴碰撞壁面的研究主要集中在平滑的刚性表面上[11−13], 并取得很好的成果, 但由于液滴碰撞球表面的复杂性, 液滴碰撞球壁面的研究并没有取得较为系统的总结.因此通过实验、模拟和理论分析等方法对液滴碰撞球壁面行为进行研究也成为当下的热点. 郑志伟等[14]采用CLSVOF (couple level-set and volume of fluid)方法建立了液滴冲击球形凹曲面的数值计算模型, 发现其先后呈现出铺展、收缩、振动及回弹等状态, 同碰撞平面过程基本一致; 并在不同雷诺数下对平面与凹曲面的液滴最大铺展系数进行了系统研究. Khurana等[15]利用实验和理论相结合的方法对亲水性和疏水性球表面进行了液滴碰撞行为研究, 并提出了一种基于能量平衡原理的数学模型预测了球形物体的最大铺展角, 其理论值与实验结果吻合较为良好. Amirfazli和Banitabaci[16]研究了液滴碰撞速度对于液滴动力学的影响, 并对较大参数范围 (0.1 < We < 1146)内的碰撞问题进行了研究, 且首次对球直径小于液滴直径的情况进行了实验研究, 当球与液滴直径大小比值不同时, 液滴碰撞后运动状态也会随之发生变化, 甚至出现液滴穿透球的现象. Bakshi等[17]首次对液滴撞击球形目标进行了实验和理论研究, 通过球形表面的液膜变化将液滴碰撞过程划分为: 初始液滴变形、惯性控制和黏性主导3个阶段, 建立了球面液膜的流动模型, 理论分析得出球面薄膜厚度的演化方程, 并且理论预测与实验结果具有良好的一致性.* 国家自然科学基金(批准号: 51676071)和国家重点研发计划(批准号: 2017YFB0601801)资助的课题.† 通信作者. E-mail: jxb@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 虽然液滴碰撞球表面已取得一些研究成果, 但其大多数集中在单一润湿性表面, 对液滴碰撞两种润湿性表面集于1个的球面的研究较少. 近年来,由于人们对亲疏水性的认知应用的扩展, 人们对具有两种不同性质的同一粒子 (Janus颗粒)产生了浓厚的兴趣并逐渐应用于实际. “Janus”(古罗马神话中的双面神)一词, 首次在1991年, 由Gennes[18]在诺贝尔颁奖大会上提出并使用. 后来Janus粒子被定义成表面具有不同化学性质或物理性质的不对称粒子. 本文的Janus颗粒是指颗粒具有一半亲水, 一半疏水特性. 目前国内外对液滴碰撞Janus 颗粒的研究较少, 正确的认知液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征对深化Janus颗粒的应用具有重要的价值. 因此本文制备了Janus颗粒并搭建了液滴碰撞Janus颗粒球面的实验装置, 测试了液滴在不同韦伯数下分别碰撞Janus颗粒球表面亲水侧、疏水侧和Janus亲疏水分界线的行为特征, 详细分析了液滴碰撞的行为动态变化过程, 并对液滴在运动过程中的受力进行分析.2 实验材料与方法2.1 表面制备及表征制备Janus颗粒所使用的材料粒径为5.0 mm 的紫铜球, 将紫铜球先后经过去离子水、丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水超声波清洗过程, 得到表面干净的紫铜球颗粒; 然后将其均匀放置在丝网上,对裸露在上方的半球喷涂超疏水喷雾剂 (美国超技术公司生产), 下半球不做处理, 再将其置于通风口处1.5 h后则得到Janus颗粒. 为了进一步确定液滴在Janus颗粒球面上的润湿性, 对液滴在球表面上的静态接触角进行了多次测量, 发现液滴在亲水侧的静态接触角为66°, 在疏水侧的静态接触角为150°.本实验环境温度为25 ℃, 所使用的液滴为去离子水, 液滴体积为4.0 µL, 等效直径约为2.0 mm,其密度r为998.2 kg/m3, 黏度µ为1.005 × 103 pa·s,表面张力s为72.75 × 10–3 N/m.2.2 实验系统与方法实验装置如图1所示, 主要由玻璃注射器、高速摄影仪、微流量液滴控制器、挡风玻璃、LED背光灯和实验样品组成. 其中玻璃注射器(带有不锈钢的疏水针头)容量为5.0 ml, 针头外径为0.2 mm.微流量液滴控制器可通过调整升降台使液滴获取不同的滴落高度, 从而赋予液滴不同的碰撞速度0.3, 0.6, 0.8, 1.1 m/s, 所对应的韦伯数分别为2.7, 10, 20, 30, 对应的雷诺数分别为621.8, 1191.9, 1589.2, 2185.1.12453图 1 液滴碰撞球面实验装置系统　1. 计算机; 2. 高速摄影仪; 3. 微流量液滴控制器; 4. Janus球; 5. 可调节底柱Fig. 1. Experimental set up of the droplet collision on spherical surface. 1. Computer; 2. high speed camera; 3. di-gitized microliter droplet dispenser; 4. Janus sphere; 5. ad-justable bottom column.实验时, 首先利用计算机精确设定液滴直径大小及玻璃注射器的推进速度, 达到预定体积后液滴会从针头处脱落, 以自由落体状态碰撞颗粒球表面, 碰撞的整个过程由高速摄影仪进行记录, 拍摄帧率为4000 Hz、像素为1016 × 1016. 实验中可以通过调整升降台使液滴获得不同的滴落高度. 为获得液滴碰撞球表面的瞬时速度u, 利用Photoshop 的图像处理功能, 选取液滴碰撞壁面前D t, 2D t, 3D t, 4D t时间间隔的4张图片, 测量液滴距壁面碰撞点的距离h, 再通过时间t和距离h, 则可得出液滴碰撞表面的瞬时速度u. 此外液滴在下降过程中由于空气阻力的影响会使液滴表面形态发生一些变化, 为了确保实验结果的精确性, 整个实验过程都将在封闭环境中进行.在液滴碰撞颗粒球表面过程中, 液滴碰撞行为特征会受到工质物性、液滴直径大小等许多因素影响, 因此为了简化分析, 采用韦伯数和雷诺数对液滴碰撞壁面过程进行无量纲分析. 其中韦伯数表示惯性力和表面张力的比值, 当We > 1时, 表示在碰撞过程中液滴的动能占据主导地位.其中, r f为液滴密度, u为液滴碰撞速度, s为液滴的表面张力系数.雷诺数表示惯性力和黏性力的比值, 当Re > 1时表示碰撞过程中惯性力起主导作用.其中, µ为液滴的黏性系数.同时为了更加形象地描绘出液滴碰撞壁面后的铺展特性, 提出了液滴碰撞壁面的无量纲铺展因子g :其中, a 为液滴在球面的铺展半径, d 为液滴直径.3 实验结果与讨论3.1 液滴碰撞Janus 颗粒疏水侧的行为特征如图2所示为液滴碰撞Janus 颗粒疏水侧时的具体运动状态, 可发现在韦伯数介于2.7至30下液滴的运动过程几乎一致, 先在表面铺展然后迅速回弹, 直至液滴脱离颗粒球表面. 因此可将液滴在疏水侧的运动大致划分为: 液滴铺展初期(I)、缓慢铺展 (II)、回弹 (III)及完全脱离 (IV)4个过程.过程I (0—0.75 ms)中, 由于液滴从一定高度滴落, 因此液滴碰撞Janus 颗粒球表面时, 会以碰撞点为中心迅速向四周铺展, 在此过程中液滴的动能逐渐向表面能和黏性扩散能[19]转化. 在We =20, t = 0.75 ms 时 (如图2所示)液滴出现分层现象, 形成“球冠状”, 造成这种现象的主要原因是:在碰撞过程中, 由于液滴本身具有的冲击动能和颗粒表面的亲疏水特性造成了液滴在表面的快速铺展; 但液滴在铺展过程中会产生毛细波[20], 毛细波向液滴的传播则阻碍了上部液滴的惯性铺展过程.过程II (0.75—3 ms)中, 从图2可发现液滴在表面张力和黏性力的共同作用下, 铺展变慢, 意味着速度的减小. 那么这种现象的原因究竟是表面张力主导还是黏性力主导呢？为了探究这个问题,Clanet 等[21]提出了可以区分表面张力主导和黏性主导两种流动机制的参数P :得出了在P < 0.3时表面张力主导; 相反则是黏性力主导. 经过计算临界速度为v r = 3.667 m/s, 而本实验中液滴的速度分别为v = 0.313, 0.6, 0.85,1.05 m/s, 显然均小于临界速度, 则过程II 中主要由于表面张力的作用使液滴扩散速度减小. 当液滴在t = 3 ms 时, 液滴达到最大铺展长度, 此时液滴的动能为零, 表面能最大.但过程III (3—8 ms) 中, 不论We 大小液滴都会沿球壁面方向运动 (如图2蓝色箭头所示),在表面张力的作用下液滴发生回弹现象. 过程IV (t > 8 ms)中液滴完全脱离颗粒表面.为了更全面分析We 对铺展因子g 的影响, 图3给出了液滴在4种韦伯数下撞击球颗粒的情况, 曲线大致呈现出“抛物线”形状, 我们的结果与Khoj-asteh 等[22]文献中的具有相同性, 在液滴碰撞超疏水球面时, 不同韦伯数下铺展因子g 随时间的变化趋势几乎相同. 可看出在过程I 中液滴铺展因子g 基本相同, 表明在液滴铺展初期We 变化对铺展因子g 影响较小, 几乎可以忽略. 过程II 中不同We 下达到最大铺展长度所需要的时间基本相同, 说明We 变化对液滴铺展速率影响较小. 针对这种现5.00 ms 3.00 ms 2.25 ms 1.50 ms 0.75 ms 0 ms6.50 ms8.00 ms=0=0=0=0IIIIII图 2 不同We 下液滴碰撞疏水侧球面行为的动态过程Fig. 2. Dynamic behavior of droplet collision on the hydrophobic spherical surface under different We .W =4πr 3sub (1−cos ϕ)µϕuδ象Mitra 等[19]和Khurana 等[15]计算出液滴碰撞球壁面的黏性扩散能 , 可知虽然液滴碰撞壁面动能越大, 但铺展过程中黏性扩散能也增大, 故在不同We 下液滴达到最大铺展因子时所需时间较为接近. 过程III 中铺展因子g 随时间增加呈指数下降. 直到过程IV 时, 液滴完全脱离颗粒球表面, g = 0.3.2 液滴碰撞Janus 颗粒亲水侧的行为特征与液滴碰撞Janus 颗粒疏水侧的表现有所不同, 液滴碰撞Janus 颗粒亲水侧后, 液滴的行为特性在0 < t < 3 ms 内, 表现为铺展特性; 但在t > 3 ms 中, 与碰撞疏水侧呈现出截然不同的现象, 液滴在达到最大铺展长度后只有小幅度的波动, 并不会呈现回弹现象, 如图4所示.为了更加清晰表达液滴撞击亲水侧的铺展因化, 图5给出了液滴在4种韦伯数下撞击球颗粒表面的情况: 在0—3 ms 内, 液滴以; 在3—12 ms 与液滴碰撞疏水侧的行为明显不同的是液滴在, 并没有呈现出指数下降的趋而是发生振荡现象. 且最大铺展因子g值不同,时, g = 0.91; We= 30时, g = 1.77. 发We 的最大铺展因子差值不同(H 1 > H 2 >H 3), 汪焰恩等[23]对液滴正向撞击亲水球面的过程进行了数值模拟, 可发现在不同We 下达到最大铺展系数时所需时间较为接近, 且最大铺展因子g 值不同. 即最大铺展因子随着We 的增大, 差值H 会逐渐减小, 表明g 的变化程度主要受惯性影响.3.3 液滴碰撞Janus 颗粒亲疏水分界线的行为特征图6展示了液滴碰撞Janus 颗粒亲疏水分界线的动态特性, 在0—3 ms, 液滴在亲水侧和疏水侧都表现为铺展特性, 达到最大铺展长度时所需时间相同; 在3—8 ms, 分界线两侧开始呈现出截然不同的现象, 分界线左侧液滴依然铺展在球颗粒表面, 而右侧液滴开始收缩团聚成椭圆形液滴 (We =30, t = 5 ms); 随着时间增大, 可发现右侧液滴脱离球表面, 在t = 6.5 ms (如图6所示) 蓝色箭头所示, 处于腾空状态, 铺展和回弹现象同时发生.造成这种现象的原因为左右两侧的亲疏水差异, 使两侧液滴受力不同./ms图 3 不同We 下的动态铺展因子变化(疏水侧)Fig. 3. Dynamic spreading factor of droplet collision under different We (hydrophobic side).5.00 ms3.00 ms 2.25 ms 1.50 ms 0.75 ms 0 ms 6.50 ms 8.00 ms=0 =0=0图 4 不同We 下液滴碰撞亲水侧球面行为的动态过程Fig. 4. Dynamic behavior of droplet collision on the hydrophilic spherical surface under different We..而图7更加充分的展示了液滴碰撞Janus颗粒亲疏水分界线的具体情况, 在Janus颗粒亲水侧g随时间逐渐增大然后有小幅度的波动现象, 表明液滴亲水侧表面过程后期会发生小幅度的波动(回弹-铺展-回弹过程); 而在Janus颗粒疏水侧g随时间逐渐增大, 达到最大铺展长度时呈指数减小, 表明液滴在疏水侧表面快速铺展后会发生回弹现象. 随着We的增大, 在液滴铺展初期Janus颗粒亲水侧和疏水侧的g值基本一致, 但随着时间的增加二者之间的差值也逐渐增大, 此外两侧重合时间也随We增大而增大: We = 2.7时, 重合时间为0.75 ms; We = 10时, 重合时间为1 ms; We = 20时, 重合时间为1.5 ms; We = 30时, 重合时间为1.75 ms.造成上述现象的主要原因为g的变化趋势是由Janus颗粒表面润湿性决定的, 而最大扩展因子g值的大小主要受液滴碰撞速度影响. We越大,液滴撞击Janus颗粒球表面的惯性动能越大, 即液滴在球面铺展的动能越大, 液滴在球面的最大铺展长度越大.3.4 液滴在Janus颗粒不同表面的受力为了更好探究造成液滴具有不同行为特征的原因, 对液滴进行受力分析, 如图8所示.(F g)(F t)(F contact)图8(a)为液滴刚接触颗粒球表面, 此时液滴只受重力、惯性力[24] 和接触力[25],它们的表达式为:r subδηni其中, 为颗粒半径, 为液膜厚度, 为球颗粒表面的碰撞系数,ϕ可以发现液滴在初期铺展过程图8(a)和图8(b)中, 不管是碰撞Janus颗粒亲水侧、疏水侧还是亲疏水分界线, 其在整个碰撞的过程所受的重力、惯性力和接触力基本一致, 且角几乎为零即表面张力可忽略不计, 从而使液滴在铺展过程初期g值几乎一致.液滴在持续铺展图8(b)和图8(c)过程中, 液滴会在表面张力和黏性力的作用下铺展速度逐渐放缓, 但在疏水侧、亲水侧和亲疏水分界线3种情况下液滴达到最大铺展长度时所需时间相等, 表明在此过程中表面润湿性对液滴铺展速率影响较小./ms图 5 不同We下的动态铺展因子变化(亲水侧) Fig. 5. Dynamic spreading factor of droplet collision under different We (hydrophilic side).5.00 ms2.25 ms1.50 ms0.75 ms0 ms 6.50 ms8.00 ms=0图 6 不同We下液滴碰撞亲疏水分界线行为的动态过程Fig. 6. Dynamic behavior of droplet collision on the hydrophilic-hydrophobic boundary under different We..图8(c)—图8(e)为液滴的回缩过程表面张力为驱动力, 惯性力和黏性力为阻力, 作用在液滴接触线处受到的黏性阻力可以用Gennes[26]的润滑理论近似得出, 我们这里只考虑沿球面切线方向上的流体剪切运动, 因此黏性力为ξ其中为液滴在球颗粒表面的滑移长度.此过程液滴在亲水侧、疏水侧和亲疏水分界线时的行为特性开始出现差别, 可发现亲水侧铺展长度随着时间的增加并没有大幅度的增加或下降趋势, 而是呈现出小幅度的上下波动现象; 而疏水侧液滴克服自身重力的影响形成“椭圆形”离开疏水表面; 液滴碰撞亲疏水分界线时, 分界线两侧的液滴呈现出截然不同的运动特性, 疏水侧的液滴受到亲水侧的牵引力跃向亲水侧. 因此液滴离开疏水侧表面的主要原因是表面张力不同, 如图9所示.而线张力是研究液滴润湿行为的关键参数, 液滴三相接触线上的能量组成仅采用两相表面自由能无法解释清楚, 线张力的概念最早可以追溯到1878年, Gibbs[27]研究发现, 液滴三相接触线上的能量组成仅采用两相表面自由能无法解释清楚, 为解决这一难题, 定义了一种类似于表面张力、在三相接触线上具有线性能量密度的作用力, 即线张力./ms/ms图 7 不同We下的动态铺展因子变化 (亲疏水分界线)　(a) 液滴在Janus亲水侧的变化; (b) 液滴在Janus疏水侧的变化Fig. 7. Dynamic spreading factor of droplet collision under different We (the hydrophilic-hydrophobic boundary): (a) Dynamic spreading factor of droplet on the hydrophilic side; (b) dynamic spreading factor of droplet on the hydrophobic side.疏水侧亲水侧contacta,0疏水侧亲水侧a,0(a)(b)(c)(d)(e)疏水侧亲水侧图 8 液滴在疏水侧、亲水侧和亲疏水分界线的受力Fig. 8. Force analysis of the droplet on the hydrophobic side, hydrophilic side and hydrophilic-hydrophobic boundary.1977年, Pethica [28]定义了理想固体表面上液滴的线张力, 通过恒定体积下的能量最小化分析推导出修正Young 方程:σsl σsg σlg 其中, q 为Young 接触角, 、和分别为固液表面张力、固气表面张力和气液表面张力.στ且Guzzardi 和Rosso [29]推导出张力分量 :根据(9)式和(10)式可推导出理想固体球表面上液滴的线张力, 亲水侧三相接触点沿固液界面切线方向受力平衡为θ1ϕ1στσsl 其中, 为Young 接触角, 为线张力所对应的张力分量和固液表面张力的夹角.疏水侧三相接触点沿固液界面切线方向受力平衡为θ2ϕ2στσsl 其中, 为Young 接触角, 为线张力所对应的张力分量和固液表面张力的夹角.根据(11)式和(12)式可得:ϕ1≈ϕ2θ1<π/2<θ2στ1<στ2液滴碰撞亲疏水分界线 (如图7所示), 在达到最大铺展因子前在两侧的铺展长度基本相等, 即, 且因为 , 代入(12)式和(13)式可得 , 故液滴由于牵引力的作用从疏水侧弹跳到亲水侧, 进而导致随着时间的增大两侧之间的铺展因子g 差值也逐渐增大, 直到疏水侧液滴完全跳跃到亲水侧.4 结　论在不同We 下, 探究了液滴碰撞Janus 颗粒疏水侧、亲水侧和亲疏水分界线时的行为特征, 并进行了机理分析, 具体结果如下:1) 液滴碰撞Janus 颗粒疏水侧时, 铺展系数g 随时间增大会出呈现类似“抛物线”形状, 且不同We 下达到最大铺展因子所需要的时间较为接近.2) 而当液滴碰撞Janus 颗粒亲水侧时, 铺展系数g 随着时间的增大而逐渐增大并趋于稳定, 且最大铺展因子随着We 的增大也增大.στ1<στ23) 但当液滴碰撞Janus 颗粒亲疏水分界线时,分界线两侧呈现出截然不同的运动特性, 液滴铺展和回弹会同时发生, 且疏水侧液滴会弹跳到亲水侧. 而铺展系数g 的变化趋势由表面润湿性决定,大小则主要受液滴惯性影响. 且对两侧液滴受力分析发现亲水侧线张力小于疏水侧, 即 , 进而导致了疏水侧液滴弹跳到亲水侧.4) 液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展和回弹的关键, 液滴在碰撞Janus 球表面时, 会在重力、惯性力、表面张力、黏性力和接触力等力的综合作用下展示出其独特的行为特征.参考文献K im S Y, Choi B G, Baek W K, Park S H, Park S W, Shin JW 2019 Smart Mater. Struct. 28 035025[1]D erby B 2010 Annu. Rev. Mater. Sci. 40 395[2]Z hou Z F, Chen B, Wang R, Wang G X 2017 Exp. Therm.Fluid Sci. 82 189[3]G yeongrak C, Jong L, Ju C, Young J K, Yeon S C, Mark SChang M, Kwon L, Sung K, Inpil K 2016 Sensors. 16 1171[4]A guilar G, Vu H, Nelson J S 2004 Phys. Med. Biol. 49 147[5]D ai C, Ji X B, Zhou D D, Wang Y, Xu J L 2018 Journal ofZhejiang Univ. (Engineering Science). 1 36 (in Chinese) [代超, 纪献兵, 周冬冬, 王野, 徐进良 2018 浙江大学学报(工学版)1 36][6]K awahara N, Kintaka K, Tomita E 2017 Spie. 10328 1032817[7]R ioboo R, Voue M, Vaillant A, Coninck D J 2008 Langmuir.24 14074[8]B iance A L, Clanet C, Quéré D 2004 Phys. Rev. E. 69 016301[9]J osserand C, Thoroddsen S T 2016 Annu. Rev. Fluid Mech.48 365[10]H amlett C A E, Atherton S, Shirtcliffe N J, Mchale G, AhnS, Doerr S H 2013 Eur. J. Soil. Sci. 64 324[11]K ang B S, Lee D H 2000 Exp. Fluids. 29 380[12]B i F F, Guo Y L, Shen S Q, Chen J X, Li Y Q 2012 Acta.Phys. Sin. 61 293 (in Chinese) [毕菲菲, 郭亚丽, 沈胜强, 陈觉先, 李熠桥 2012 物理学报 61 293][13]Z heng Z W, Li D S, Qiu X Q, Zhu X L, Cui Y J 2015 J.[14] 1 2 2 1 12 sg1gsgslsllg 亲水侧疏水侧图 9 球面的线张力效应Fig. 9. Line tension effect of sphere.Chem. Ind. Eng. 5 48 (in Chinese) [郑志伟, 李大树, 仇性启,朱晓丽, 崔运静 2015 化工学报 5 48]K hurana G, Sahoo N, Dhar P 2019 Phys. Fluids. 31 072003[15]A mirfazli A, Banitabaei S A 2017 Phys. Fluids. 29 419[16]B akshi S, Roisman I V, Tropea C 2007 Phys. Fluids. 19032102[17]G ennes D P G 1992 Rev. Mod. Phys. 64 645[18]M itra S, Nguyen T B, Doroodchi E, Pareek V, Joshi J B,Evans G M 2016 Chem. Eng. Sci. 149 181[19]Y ang W L 2017 Ph. D. Dissertation (Beijing: North China Electric Power University) (in Chinese) [杨卧龙 2017 博士学位论文 (北京: 华北电力大学)][20]C lanet C, BéGUIN, CéDRIC, Richard D, QUéRéD 2004 J.Fluid Mech. 517 199[21]K hojasteh D, Bordbar A, Kamali R, Marengo M 2017 Int. J.Comput. Fluid D. 31 310[22]W ang Y E, Zhou J H, Qing Y L, Li P L, Yang M M, Han Q,Wang Y B, Wei S M 2012 J. Vib. Shock. 31 51 (in Chinese)[汪焰恩, 周金华, 秦琰磊, 李鹏林, 杨明明, 韩琴, 王月波, 魏生民 2012 振动与冲击 31 51][23]W ang H R 2013 M. S. Thesis (Dalian: Dalian University ofTechnology) (in Chinese) [王辉 2013硕士学位论文 (大连: 大连理工大学)][24]Y asmin D, Mitra S, Evans G M 2019 Miner. Eng. 131 111[25]G ennes P G D 1985 Rev. Mod. Phys. 57 827[26]G ibbs J W 1948 Nature. 124 119[27]P ethica B A 1977 J. Colloid Interf. Sci. 62 567[28]G uzzardi L, Rosso R 2007 J. Food Compos. Anal. 40 19[29]Behavioral characteristics of droplet collisionon Janus particle spheres*Peng Jia -Lue Guo Hao You Tian -Ya Ji Xian -Bing † Xu Jin -Liang(Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)( Received 18 August 2020; revised manuscript received 10 September 2020 )AbstractTo acquire the unique behavioral characteristics that droplets impact the Janus particle (amphiphilicity) sphere surface, a series of collision experiments is conducted by using Janus particles with a diameter of 5.0 mm. These Janus particles are prepared by chemical treatment of the copper particles. Water droplets with a diameter of 2.0 mm are used to impact hydrophbilic surface, hydrophobic surface and hydropholic-hydropholic boundary of Janus particle, under four Weber numbers which are 2.7, 10, 20 and 30, the corresponing Reynold numbers are 621.8, 1191.9, 1589.2 and 2185.1. The results show that the collision process can be divided into four stages: spread, retraction, oscillation and rebound. Under different Weber numbers, the behavioral characteristics of droplets are mainly affected by the surface wettability. On the hydrophbilic surface, the droplets exhibit the spreading characteristics, with increasing time the spreading coefficient gradually increases and finally tends to be stable. As Weber number increases, the difference in spreading coefficient for droplet under adjacent Weber number gradually decreases, indicating that droplets spreading is mainly affected by inertia. On the hydrophobic surface, the spreading coefficient on the figure presents a "parabola" shape. Droplets spreading takes the same time to reach the maximum spreading coefficient under different Weber numbers. However, when droplets impact the hydropholic-hydropholic boundary, droplets show spreading and rebound behavioral characteristics simultaneously. At the beginning of droplets spreading, the spreading coefficient has almost the same value on both sides of the hydropholic-hydropholic boundary. With the increase of time, part of droplets on the hydrophobic are attracted by the hydrophbilic side surface and go into hydrophbilic side zone. In order to explain this phenomenon, the concept of line tension is introduced and the line tension on the hydrophilic side is found to be less than that on the hydrophobic side by analyzing the forces on both sides of the droplets. Based on energy balance and force analysis, it is found that the mutual conversion of droplet kinetic energy and surface energy are the key factor to make droplets spread. The droplets possess the unique behavioral characteristics and reach an equilibrium state under the combined influence of gravity, inertial force, surface tension, viscous force, and contact force.Keywords: wettability, droplet, collision, Janus particlePACS: 47.55.Ca, 47.55.nd, 47.55.df DOI: 10.7498/aps.70.20201358* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51676071) and the National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFB0601801).† Corresponding author. E-mail: jxb@。

Janus粒子的制备及研究

Байду номын сангаас
方法五可控表面成核
最终分析
微流体合成方法作为其中唯一可一次成型制备 Janus粒子的方法，流程简单，产率较大，但Janus粒子尺寸还无法达到亚微米级。拓扑表面选择改性方法现阶段研究最广泛，方式多样，制备过程较简单，但通常产率低，从而限制了其大规模的应用。模板导向自组装方法的优点在于制备的Janus粒子的形状、尺寸及组成等都可预先设计，但其制备过程复杂且模板制作成本高。当然，目前所有Janus制备方法只有部分能够达到工业生产要求，从成本及产率的角度看，可控相分离及表面成核的合成方法有可台V得III币为广汗的应用_
Janus粒子的制备及研究
制备方法一
微流体合成方法简单来说就是油相1和油相2
从两个通道同时进入水相，形成Janus的乳滴，然后通过聚合固化乳滴成为Janus粒子(见图2)。通过
制备方法二
拓扑选择表面改性原理是将粒子的半球面遮盖，
然后通过物理化学方法将暴露在外的另一半球面进行改性
制作方法3
模板导向自组装
其一般原理是在两个底板组成的平行单元内，球形前体粒子分散液通过底板表面上二维排列的圆柱孔时，由于毛细管作用力的存在，单个球形粒子陷入圆柱孔中，然后将另一类粒子注入到同一圆柱孔中进行组装得到Janus粒子(见图4)。
制备方法四
可控相分离
该方法要求在制备核一壳纳米粒子的同时能够发生相分离，其中一个组分能结晶或进行化学改性。使用具有特殊结构的无机晶体粒子制备Janus纳米粒子可以获得一些特殊性能，比如光学特性及磁感应性等。此外，Janus粒子的表面还可以进行选择功能化修饰。 Gu等!2G}通过晶格失配与局部退火的方法制备了FePt}dS Janus粒子。他们将无定形CdS沉积到 Feet纳米粒子的表面形成亚稳态核一壳结构，加热后 CdS转变为结晶态，形成的CdS晶格与Feet晶格不相容，在表面张力的作用下逐渐生成粒径小于1 Onm 的Feet加S核一壳纳米粒子，且同时具有超顺磁性及荧光性(如图5)0

一种用于创面修复的Janus多孔生物补片及其制备方法[发明专利]

专利名称：一种用于创面修复的Janus多孔生物补片及其制备方法
专利类型：发明专利
发明人：叶方富,邵长敏,赵远锦,王月桐,池俊杰
申请号：CN202011202908.2
申请日：20201102
公开号：CN112220965A
公开日：
20210115
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种用于创面修复的Janus多孔生物补片及其制备方法，利用微流控单乳液生成装置制备了表面包裹有亲水二氧化硅纳米粒子和疏水磁性纳米粒子的胶体液滴模板，内相溶液为分散有两种粒子的油相，外相溶液为光聚合水性聚氨酯溶液，生成的两种胶体液滴在磁场的作用下以六方密堆积结构组装，紫外光固化、去除模板。

本发明制备的用于创面修复的Janus多孔生物补片是基于两种不同表面浸润性的胶体液滴模板构建的，因此具有可控的表面浸润性，疏水表面与创面直接接触能够避免组织粘连而引起的二次创伤，亲水表面能够吸附伤口处的渗出液，从而加速创面修复。

该制备方法简单易行、可控性强、重复性好，具有广阔的应用前景。

申请人：中国科学院大学温州研究院(温州生物材料与工程研究所)
地址：325000 浙江省温州市金联路1号
国籍：CN
代理机构：南京钟山专利代理有限公司
代理人：蒋厦
更多信息请下载全文后查看。

janus膜输送液滴的原理

janus膜输送液滴的原理引言一、Janus膜的制备Janus膜是一种具有两种不同表面性质的材料，可以在膜表面上实现不同的液相界面的转移。

Janus膜的制备方法根据不同的材料性质和涂覆方法的不同，可以分为多种方法，其中包括自组装、电沉积、层粘结、蒸发法等。

1. 自组装法自组装法是一种简单而有效的制备Janus膜的方法。

可以通过自组装聚苯乙烯-聚丙烯烯酸(PS-PAA)的复合膜来制备Janus膜。

在pH=3的条件下，PAA的结构变为质子化形态，使PAA对水具有亲和性；而在pH=9的条件下，PAA的结构发生转变，使其与水相排斥，因此可以在不同的液相界面上分别实现液滴的移动。

在自组装过程中，PS较为亲油，可以在油相表面形成薄膜；而PAA较为亲水，可以在水相表面形成薄膜。

2. 电沉积法电沉积法是通过电化学反应的方式在基体表面上沉积两种不同材料制备Janus膜。

可以通过阴阳极电沉积方法在金属薄膜上制备Janus膜。

在电沉积过程中，阳极和阴极分别会沉积不同的材料，形成两种不同的表面性质，使得Janus膜具有不同的液相半径，可以控制液滴的运动速度和方向等性质。

3. 层粘结法层粘结法是利用多层薄膜堆积的方式制备Janus膜。

可以通过原位人工沉淀制得铁酸铁薄膜，再利用层粘结法在铁酸铁薄膜上沉积二氧化硅薄膜，从而制备出Janus膜。

在液滴的输送过程中，铁酸铁薄膜可以帮助维持液滴的形状，而二氧化硅薄膜则可以调节液滴在不同液相界面上的运动。

4. 蒸发法蒸发法是利用混合物在表面自缩合形成膜的方式制备Janus膜。

可以在石墨烯上混合PVP和PEI溶液，再通过蒸发法可得到Janus膜。

在液滴输送时，Janus膜的自身性质可以控制液滴的速度和形态等特性，从而实现液滴的精准输送。

Janus膜输送液滴的核心机制是“弯曲力+驱动力”机制。

在液体界面上，Janus膜会产生非对称的表面张力，使得液体在Janus膜表面上形成不同半径的液相。

Janus粒子的制备综述

Soft Matter 2008 4, 663—668.
8
第一个实例： PS-PB-PMMA高分子
1，阴离子聚合
自组装为层球形态 2，交联中段PB 3，溶解于合适溶剂中
单个Janus粒子含13个SBM链
Macromolecules 2001 34, 1069-1075
9
掩蔽
大量Janus粒子的制备方法使用了多种类型的掩蔽技术。掩蔽，对纳米颗粒的部分表面进行保护，仅对裸露部分物理化学处理，实现不对称化。通常将纳米颗捕获在流体相间；沉积或吸附在固体表面。特点：灵活性、多样性、广适性
18
1 无机材料粒子相分离
最常利用的机制：是一个粒子表面外延生长出另一个粒子。通过调节成核和生长条件进行控制。异二聚体的形成是由于两种材料的晶格不相容。通常，第一个粒子作为种子，晶格不相容性使第二个材料很难形成稳定的核壳结构，从而形成了异二聚体。均匀成核的条件：避免在第二个材料成核时降低温度，因为均匀成核需在足够高的温度下进行
12
Langmuir 2008 24, 5663-5666
优点：产量大 109个/1mg
13
3 颗粒分散
磁性小颗粒（MMPS）
互补的寡核苷酸链 T4 DNA连接酶提高温度，释放粒子
J. AM. CHEM. SOC. 2006 128, 9286-9287
14
4 液滴和Picking乳液
超声分散，Fe3O4自聚集在界面 Fe催化还原Ag+成核，生长。
10
1 硬基板
粒子平板印刷技术
电荷互补机理
玻璃板离子强度精确控制尺寸
Langmuir 2007 23, 9069-9075
11