泡沫世界中,存在着“弱肉强食”的丛林生存法则,科学家称之为“奥斯瓦尔德熟化机制”。该机制描述了一种非均匀结构随时间流逝所发生的变化:溶质中的较小型的结晶(或溶胶颗粒)溶解并再次沉积到较大型的结晶(或溶胶颗粒)上。通俗地讲,在泡沫世界中,小的气泡会逐渐变小直至消失,而大的气泡则会一直增大,呈现出“弱肉强食”现象。
尽管科学家对于泡沫的结构及演变的研究已经持续了一百多年,对泡沫的结构规律及其演变过程的分析已经达到了炉火纯青的境界。但是,科学家们却迟迟未能实现对这种演变过程的操控,面对泡沫世界“弱肉强食”的现象束手无策。近日,中科院化学所宋延林课题组通过利用表面具有微米结构的界面作用,实现了对二维泡沫演变过程的调控,从而打破二维泡沫“弱肉强食”的局面,实现反奥斯瓦尔德熟化机制的“限富济贫”新模式。
他们的研究发现,当固体表面不是平滑的,而是具有微米结构的情况下,气泡在生长过程中会与这些微米结构发生相互作用从而产生形变,使得气泡的曲率半径不再随体积的增大而持续增大,反而逐渐减小。简单来说,即出现了从大气泡传输气体到小气泡的现象(如视频1所示),也就是反奥斯瓦尔德熟化机制的“限富济贫”模式。
基于上述现象,通过设计固体表面结构的排列方式,研究者们使得泡沫演变成预先设定的图案,从而实现二维泡沫演化的“可编程性”。基于微米结构改变泡沫演变过程的机制,人们可以有效地调控泡沫演变的过程。
在应用方面,研究者们表示,通过调控而形成的图案化的二维气泡能够为高精度组装功能材料提供模版:将功能材料放入溶液中,随着液体的蒸发,这些功能材料(如纳米颗粒、导电聚合物等)就会在气泡边界处进行组装,形成纳米尺度的高精度网格图案,进而实现在透明电极等光电器件中的应用。