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  乳液（液/液）和泡沫（氣/液）是工業(yè)中廣泛應(yīng)用的多相體系，其通常是熱力學(xué)不平衡的，但可通過(guò)動(dòng)力學(xué)作用使其具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳統(tǒng)上，使用分子乳化劑或表面活性生物聚合物來(lái)降低不混相之間的界面張力避免相分離。近年來(lái)，固體顆粒穩(wěn)定的Pickering多相體系由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性受到越來(lái)越多的關(guān)注。在各種固體穩(wěn)定劑中，來(lái)源于農(nóng)業(yè)和林業(yè)的纖維素微/納顆粒由于其獨(dú)特的形態(tài)特征和可調(diào)節(jié)的表面性質(zhì)在Pickering多相體系中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為此，天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)教授、徐婷副教授與南京林業(yè)大學(xué)蔡旭敏副教授、廣西大學(xué)姚雙全助理教授、及東北林業(yè)大學(xué)宦思琪教授合作，從Pickering體系（包括乳液和泡沫）穩(wěn)定性角度，對(duì)纖維素膠體顆粒形成和穩(wěn)定Pickering多相體系的基本理論、影響因素、制備方法進(jìn)行全方位的分析、歸納和總結(jié)。全面介紹了由纖維素顆粒穩(wěn)定的Pickering多相體系衍生的新型材料及其在食品、刺激相應(yīng)型材料和泡沫材料領(lǐng)域的應(yīng)用。提出了纖維素微/納顆粒基Pickering多相體系在科學(xué)研究中所存在的挑戰(zhàn)及解決策略，為纖維素微/納顆粒基Pickering多相體系的發(fā)展提供了新思路。以上相關(guān)成果及內(nèi)容以題為Pickering multiphase materials using plant-based cellulosic micro/nanoparticles發(fā)表在《Aggregate》上（中科院1區(qū)，IF:18.8），并被遴選為封面文章（圖1），第一作者分別為天津科技大學(xué)劉慰博士、斯德哥爾摩大學(xué)龐博博士和天津科技大學(xué)博士生張萌。

圖1. 論文被遴選為《Aggregate》封面文章

纖維素微/納顆粒穩(wěn)定Pickering體系的理論

基本理論

纖維素微/納顆粒的界面自組裝

  纖維素具有親水的表面性質(zhì)，但纖維素顆粒的晶面在結(jié)構(gòu)上是非等效的，當(dāng)在界面吸附時(shí)，它們的疏水邊緣（200）會(huì)定向向油相彎曲（圖2c），即未經(jīng)修飾的棒狀纖維素顆�？梢赃m應(yīng)油滴的曲率，促進(jìn)其在界面進(jìn)行組裝。然而，由于沒(méi)有實(shí)際的疏水性實(shí)體與纖維素顆粒的表面相連，它們僅通過(guò)表面與油接觸，而不是在油相中伸展，這限制了吸附和隨后排列的動(dòng)態(tài)調(diào)整。利用纖維素顆粒的“偽兩親性”及獨(dú)特形態(tài)特征，它們可以在界面自組裝，這高度依賴于它們的尺寸、表面性質(zhì)、顆粒間相互作用等。表面電荷密度小于0.03 e/nm²的納米纖維素晶體（CNC）能有效地吸附在油水界面上，形成具有高穩(wěn)定性的微小液滴，而過(guò)高的表面電荷密度（>0.03 e/nm²）則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電排斥作用，在CNC之間產(chǎn)生阻礙其在界面吸附、排列和連接的效果，導(dǎo)致乳液太穩(wěn)定。因此，在制備乳液時(shí)添加少量鹽可以部分中和CNCs的負(fù)電荷，提高乳液體系穩(wěn)定性。

纖維素微/納顆粒穩(wěn)定Pickering體系的制備方法

  纖維素顆粒在吸附時(shí)可以不可逆地錨定在油水界面上，為了克服顆粒從界面分離所需的能量障礙，通常需要在Pickering乳化過(guò)程中施加外力或改變?nèi)芤簵l件。乳化過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大機(jī)械力有助于克服解吸的能量屏障，從而形成含有相對(duì)較小液滴的Pickering液滴。根據(jù)機(jī)械過(guò)程所需能量的不同，Pickering體系的制備方法有三種，分別是定/轉(zhuǎn)子混合、超聲乳化和高能均質(zhì)（圖4）。此外，可以產(chǎn)生均勻分布液滴的膜乳化和微流控技術(shù)也被用于生產(chǎn)Pickering乳液。然而，因?yàn)槔w維素顆粒的尺寸大、表面活性低，這兩種方法很少用于纖維素顆粒穩(wěn)定Pickering體系的制備。 

圖4. 生產(chǎn)纖維素顆粒穩(wěn)定Pickering乳液的示意圖：a）超聲波、b）定/轉(zhuǎn)子混合、c）高壓均質(zhì)

纖維素微/納顆粒基Pickering多相材料

Pickering乳液在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

Pickering乳液基刺激響應(yīng)型材料

圖6. a）苯基聚乙烯亞胺修飾的CNC和b）聚[2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯](PDMAEMA)-g- CNC穩(wěn)定的Pickering乳液的pH響應(yīng)行為示意圖；c）由Jeffamine M2005修飾的CNC穩(wěn)定的Pickering乳液的溫度和CO₂雙響應(yīng)原理圖

Pickering泡沫的應(yīng)用

圖7. a）沒(méi)有纖維素顆粒的情況下形成的濕Pickering泡沫（左圖），在纖維素顆粒的存在下形成的濕Pickering泡沫（右圖）；b）在沒(méi)有纖維素顆粒的情況下，由濕Pickering泡沫模板制成的固體泡沫，在空氣中干燥后為塌陷的粉末（左圖）。在纖維素顆粒的存在下，由濕Pickering泡沫模板化制成的固體泡沫保持了初始結(jié)構(gòu)并形成多孔固體

挑戰(zhàn)與展望

  纖維素膠體顆粒獨(dú)特的形態(tài)特征和可調(diào)的表面特性使其能夠在油水界面自組裝，形成位阻屏障，抑制分散相液滴的聚集，因而在穩(wěn)定Pickering多相體系中備受關(guān)注。纖維素顆粒在油水界面的組裝受其形態(tài)、表面電荷、潤(rùn)濕性等因素的影響，可通過(guò)物理或化學(xué)改性方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文對(duì)纖維素膠體顆粒形成和穩(wěn)定Pickering多相體系的基本理論、影響因素、制備方法進(jìn)行了全方位的分析、歸納和總結(jié)。此外，綜述了由纖維素顆粒穩(wěn)定的Pickering多相體系衍生的新型材料及其在食品、刺激相應(yīng)型材料和泡沫材料領(lǐng)域的應(yīng)用。為促進(jìn)纖維素微/納米顆粒基Pickering多相體系的發(fā)展，本文提出了纖維素微/納顆粒基Pickering多相體系在科學(xué)研究中所存在的挑戰(zhàn)及解決策略：

  相關(guān)鏈接https://doi.org/10.1002/agt2.555

作者簡(jiǎn)介

徐婷，天津科技大學(xué)特聘教授，“中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程”（中科協(xié)資助）入選者，中國(guó)未來(lái)女科學(xué)家計(jì)劃候選人。2020年于北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲得博士學(xué)位，同年入職天津科技大學(xué)。任The Innovation（SCI一區(qū)，IF33.1）等學(xué)術(shù)期刊青年編委。研究方向包括紙基先進(jìn)功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進(jìn)納米生物質(zhì)復(fù)合材料等，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目、企業(yè)橫向項(xiàng)目及全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等10余項(xiàng)。以第一/通訊作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文40余篇（其中ESI高被引論文16篇、熱點(diǎn)論文10篇、封面論文12篇）。申請(qǐng)/獲授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)（其中國(guó)際專利4項(xiàng)），制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。先后獲國(guó)家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)、中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、英國(guó)IChemE杰出研究獎(jiǎng)等。

司傳領(lǐng)，天津科技大學(xué)教授、博導(dǎo)、科技處副處長(zhǎng)、全國(guó)青聯(lián)委員。主要從事制漿造紙及生物質(zhì)資源高值化利用方面的教學(xué)研究工作。以第一或通訊作者發(fā)表論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)。入選國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、國(guó)家林草局科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、天津市有突出貢獻(xiàn)專家、天津市特聘教授、天津市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等人才計(jì)劃。入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”榜單、美國(guó)斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”終身科學(xué)影響力和年度科學(xué)影響力榜單、Bentham Ambassador等。研究成果獲教育部霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師獎(jiǎng)、國(guó)家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)輕工聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)等。

蔡旭敏，南京林業(yè)大學(xué)副教授，江蘇省“雙創(chuàng)博士”，國(guó)家“雙一流”專業(yè)“林產(chǎn)化工”系副主任，于南京大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)獲碩士和博士學(xué)位。曾在唐本忠院士指導(dǎo)下開(kāi)展研究工作，主要從事林木生物資源高值化利用和AIE研究相結(jié)合的BioAIE跨學(xué)科研究。近3年在Nature Communications、National Science Review、Advanced Science和 Aggregate等期刊發(fā)表論文20余篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等。研究工作得到美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)EurekAlert、國(guó)家科學(xué)評(píng)論和交匯點(diǎn)媒體雜志等亮點(diǎn)報(bào)道。任The Innovation和《生物質(zhì)化學(xué)工程》青年編委。課題組鏈接：https://www.x-mol.com/groups/cai_xumin

姚雙全，廣西大學(xué)助理教授，廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研秘書(shū)，廣西大學(xué)與紐約州立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。師從王雙飛院士和覃程榮教授，主要從事木質(zhì)纖維生物質(zhì)高效清潔分離和紙漿清潔化漂白研究。近3年在Aggregate、Applied Catalysis B: Environmental和Bioresource Technology等期刊發(fā)表論文SCI論文30余篇。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、廣西自然科學(xué)基金及造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等。研究工作得到田納西大學(xué)Arthur J. Ragauskas教授等國(guó)內(nèi)外知名專家學(xué)者的認(rèn)可。任《大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》首屆青年編委以及廣西博世科環(huán)�？萍加邢薰竞献餮芯繂T等職務(wù)。個(gè)人網(wǎng)址鏈接：https://www.researchgate.net/profile/Shuangquan-Yao

宦思琪，東北林業(yè)大學(xué)教授，于2017-2021年間在芬蘭阿爾托大學(xué)和加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究，合作導(dǎo)師Orlando J. Rojas教授。主要從事林木生物質(zhì)材料多維重組與功能應(yīng)用研究，現(xiàn)主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國(guó)家博士后面上項(xiàng)目、黑龍江省優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目，近五年在Chemical Reviews、Advanced Functional Materials、ACS Nano等國(guó)際知名期刊發(fā)表論文50余篇，總引用次數(shù)超過(guò)3000次，授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。