近日，电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授团队在国际著名期刊《Advanced Materials》（先进材料）上发表了题为《Polymeric Microparticles Generated via Confinement-free Fluid Instability 》的论文。电子科技大学基础与前沿研究院博士生宋佳宁为该文第一作者，邓旭教授为论文的通讯作者，电子科技大学基础与前沿研究院为第一作者单位。《Advanced Materials》是材料与化学领域顶级国际学术期刊，2020年影响因子为27.398。
聚合物微粒（Polymeric microparticles）因不同于块体的尺寸效应，拥有迷人的性质和功能，因此在多个领域应用价值显著，包括化学传感、药物传递、光子学和智能显示等1-3。经典的普拉托-瑞利不稳定性(Plateau-Rayleigh Instability)描述了液柱破碎成液滴的现象，其具有潜在的制备球形颗粒的价值与意义4-6，从而引起了广大科研工作者的广泛兴趣。真正将这一现象应用于微纳米材料制备的是Kaufman等人提出的经典策略--“In Fiber”7，可以用来实现尺寸可调和可扩展多功能性的微粒制造，与传统的微粒制造技术（如乳液聚合和基于液滴的微流控方法）相比具有竞争力。然而，由于纤维包层内流体的不稳定性必须通过热退火来诱导，并且所产生的微粒只有在溶解纤维包层后才能被收集起来，因此对于不耐高温或易降解的材料来说，获得无污染微粒仍然具有挑战性。图1. 聚合物溶液柱在不同表面上的上的无约束流体不稳定性对比图（图片来源及版权：Advanced Materials及论文作者）
图2. 聚合物溶液柱在超双疏表面上的上的无约束流体不稳定性（图片来源及版权：Advanced Materials及论文作者）该论文基于普拉托-瑞利不稳定性的物理学机制和流体力学分析，从理论设计出发，利用蜡烛烟灰模板法制备的超双疏表面8的超低表面能来最大化聚合物液柱的表面张力（驱动力），从而成功地在室温下驱动了高粘度聚合物液柱破碎并形成球形液滴（图1）。首次报道了一种超快速，自发的，无约束流体不稳定性制备球形聚合物微粒的方法（图2）。该方法不依赖于任何额外的乳化剂、溶剂或加工液体，无需后处理步骤，有效地消除了传统“In Fiber”策略中加热和包层污染的限制和问题。这种简单的策略使我们能够从多种材料中获得具有窄尺寸分布的球形聚合物微粒，包括聚氧乙烯（PEO）,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,聚苯乙烯(PS),海藻酸钠，透明质酸等。通过进一步实现定制的微流控自旋设备，可以实现大批量生产聚合物微粒（图3）。此外，通过改变溶液加料配比和进料结构，也可以得到功能性，结构型的多形貌聚合物微材料，这表明其对制备多种复合型微材料具有普遍的适用性。图3. 基于流体不稳定性，利用微流控自旋仪器大规模制造聚合物微粒(图片来源及版权：Advanced Materials及论文作者）本文提出的基于固-液界面现象来诱导无约束流体不稳定性的策略为大规模制备聚合物微粒提供了一条新的途径，特别是该方法在无表面活性剂、水溶性聚合物微粒的合成中具有很大的优势。通过探索多种功能化和复杂结构的微材料，也成功地制备出具有荧光、磁性、核壳结构颗粒、软胶囊和项链状超细纤维（图4），在光电器件、抗原检测和缓释医学等领域具有广阔的应用前景。同时该文章还引入了复杂流体在超双疏表面上的流体动力学的有趣现象，有助于加深对固液界面机理的理解。在设计其他合成材料时，也为科研人员提供了更多的思路和选择，这可能会引起人们的更多关注。
图4.核壳结构的球形聚合微粒和软胶囊的制造(图片来源及版权：Advanced Materials及论文作者）1. Daly, A. C.; Riley, L.; Segura, T.; Burdick, J. A., Hydrogel microparticles for biomedical applications. Nat. Rev. Mater. 2020, 5 (1), 20-43.2. Dumanli, A. G.; Savin, T., Recent advances in the biomimicry of structural colours. Chem. Soc. Rev. 2016, 45 (24), 6698-6724.3. Farka, Z.; Jurik, T.; Kovar, D.; Trnkova, L.; Skladal, P., Nanoparticle-Based Immunochemical Biosensors and Assays: Recent Advances and Challenges. Chem. Rev. 2017, 117 (15), 9973-10042.4. Day, R. W.; Mankin, M. N.; Lieber, C. M., Plateau-Rayleigh Crystal Growth of Nanowire Heterostructures: Strain-Modified Surface Chemistry and Morphological Control in One, Two, and Three Dimensions. Nano Lett. 2016, 16 (4), 2830-2836.5. Shabahang, S.; Kaufman, J. J.; Deng, D. S.; Abouraddy, A. F., Observation of the Plateau-Rayleigh capillary instability in multi-material optical fibers. Appl. Phys. Lett. 2011, 99 (16), 161909.6. Fan, P.-W.; Chen, W.-L.; Lee, T.-H.; Chiu, Y.-J.; Chen, J.-T., Rayleigh-Instability-Driven Morphology Transformation by Thermally Annealing Electrospun Polymer Fibers on Substrates. Macromolecules 2012, 45 (14), 5816-5822.7. Kaufman, J. J.; Tao, G.; Shabahang, S.; Banaei, E.-H.; Deng, D. S.; Liang, X.; Johnson, S. G.; Fink, Y.; Abouraddy, A. F., Structured spheres generated by an in-fibre fluid instability. Nature 2012, 487 (7408), 463-467.8. Deng, X.; Mammen, L.; Butt, H.-J.; Vollmer, D., Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating. Science 2012, 335 (6064), 67-70.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007154https://www.x-mol.com/groups/dengxu邓旭教授，德国马普高分子研究所博士，美国加州大学伯克利分校/美国劳伦斯伯克利国家实验室博士后研究员，现任电子科技大学基础与前沿研究院教授，博导。国家青年特聘专家，四川省特聘专家、四川省学科技术带头人、四川省杰青。主要从事材料表面科学、物理化学、仿生材料化学等相关研究。担任德国马普中德界面材料联合实验室负责人，中国化学会仿生材料化学委员会委员。获得欧洲国家发明专利3项，美国发明专利2项，中国发明专利15项。研究成果以第一作者或通信作者在Nature, Science, Nature Materials, National Science Review, Physical Review Letters，Advanced Materials, Angewandte Chemie等著名杂志发表文章50余篇。研究工作被引用4100余次，其中单篇引用超过1400次。获得中国十大科技新锐人物（2019），中国化学会青委会菁青化学新锐奖（2019）,四川省青年科技奖（2020）。宋佳宁，本科就读于西北大学，现为电子科技大学基础与前沿研究院2020级博士研究生。目前主要研究内容为仿生自清洁材料的设计与机理研究、新型聚合物材料的制备与开发、先进涂层在可持续能源领域的应用。已经以第一作者或合作者在Advanced Materials, Chemical Society Reviews, Chinese Journal of Polymer Science等国际著名期刊发表文章多篇。
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