近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术研究部与美国加州大学河滨分校教授殷亚东合作，构建出新型瞬态乳液气溶胶体系，实现了不对称超结构自组装。相关研究结果日前发表于《先进材料》。
突破传统：构建瞬态乳液气溶胶新体系
传统乳液体系中，乳液液滴在界面张力作用下自发形成球形结构，这一特性使其在食品科学、生物医药、材料合成等领域获得广泛应用。然而，球形结构的对称性特征限制了其性能的进一步提升。
在乳液体系中引入不对称性，有望显著增强结构复杂性，乃至构建出具有突破性性能的新型超结构。但如何克服表面张力的限制实现不对称形态的构建，一直是极具挑战性的热力学难题。传统方法通过嵌套多相乳液或添加复杂乳化剂调控界面张力，以形成嵌套的双重或多重乳液，但其面临乳液体系极不稳定、乳化剂易造成污染、且液滴尺寸难以微米级微缩化等瓶颈问题，这些极大限制了其后续实际应用。
基于上述原因，研究团队在前期提出的瞬态乳液体系上，创新性地提出了将两相液体雾化后交汇融合，成功构建出全新的瞬态乳液气溶胶体系。
该体系具有三大突出优势：无表面活性剂，利用两相界面动态扩散特性，实现界面张力自然趋近于零，完全避免了传统乳化剂的污染问题，保障功能单元的“本征性能”；空中自组装，气溶胶环境中实现了快速、清洁的合成过程，易于规模化；尺寸与形貌可调，通过调控雾滴尺寸、浓度等参数，可设计超结构的几何特征与物理化学性质等。
基于该体系，以嵌套的瞬态乳液液滴为模板进行限域自组装，可以制备出传统球形乳液无法实现的各向异性超结构。例如，研究团队成功实现了单分散金纳米粒子有序自组装形成典型的半球形超结构。
应用前景：从微透镜到功能涂层
研究团队进一步深入揭示了该体系的自组装机制。水相因密度差异沉降于正丁醇液滴底部，形成动态不对称界面；随后，纳米粒子在快速扩散的两相界面处自发富集，通过溶剂的不对称输运引发类似金属扩散中的“柯肯达尔效应”，导致超结构内部发生选择性空腔化；最终，形成不对称半球型、中空或多级的复杂超结构。
基于这项技术，研究团队成功制备出具有放大倍数可调的二氧化硅微透镜超结构。这种新型微透镜可显著提升光通量数值孔径，有望突破传统光学显微镜的分辨率极限；且其独特的可移除特性，使其在珍贵生物样本观测等特殊场景中展现出独特优势。
此外，该瞬态乳液气溶胶展现出的连续自组装能力，可直接在基底表面构建富含复杂微米级凹凸结构的涂层。这些涂层展现出优异的光扩散性能（低雾度、高亮度），在微型发光二极管显示、光学器件等领域具有广阔应用价值。
相关论文信息：10.1002/adma.202420269
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