无修饰碳纳米管的两亲性起源:作为完全可回收的油包水乳液稳定剂

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背景

无修饰碳纳米管(CNT)显示出作为乳液稳定剂的潜力,能够取代水毒性小分子表面活性剂。然而,对现实 CNT 的水-固界面的理解不一致,阻碍了对其个性化的功能性、在良性介质中的可加工性以及与广泛基质的兼容性的利用。在低能耗要求下,基于水和廉价正构烷烃的纯碳纳米管加工是迈向绿色技术的重要一步。因此,有必要在从疏水性到亲水性的标尺上,定量评估各种结构化的 CNT 组分。这种结构交织特征可以导致两亲性,从而形成油包水乳液。

研究内容

作者使用精确的实验和严格的理论研究,研究了碳纳米管与水和油相相互作用的性质,对碳纳米管和碳纳米管乳液进行了全面表征,揭示了各种乳液的微观和纳米形态,建立了纯净和纯化碳纳米管乳化行为的描述方法,讨论了由纯净和纯化的多壁碳纳米管(MWCNT)稳定的水/油乳液的稳定性机制,结果还显示了两亲性强度取决于 CNT 尺寸、氧化/空位结构域以及油水比,表明了 MWCNT 可加工性的最佳值。

实验支持的量子力学计算表明,真实的 CNT 具有明确的亲水和疏水结构域,表现为具有亲水性开口端、少量氧官能化/空位表面区域、疏水性侧壁和全封闭端,这使得纯净 CNT 成为一维两亲物,能够用作完全可回收的一维表面活性剂,用于稳定水/油乳液。

研究结果证实,碳纳米管在制备聚合物、陶瓷、金属和其他复合材料中作为完全可回收一维乳化剂,有广泛的前景,应用领域包括诸如传热纳米流体、超级润滑剂、涂料、涂层、电催化剂,以及生物成像中局部治疗或造影剂的药物载体等。

计算部分

作者使用 QuantumATK 中的第一原理方法(DFT)对 CNT 与水分子和烷烃分子多种不同构型的相互作用能、电子态密度和电子分布等微观性质进行了计算,分别对比了开口/封闭以及不同尺寸的 CNT 的效果,以解释实验中观察到的亲和性趋势。

作者使用力场方法(ReaxFF)对 CNT-水-烷烃复合体系进行了分子动力学研究,分别研究了不同开口、尺寸、单壁/多壁、修饰基团等对两亲性的影响。建模时,作者采用 QuantumATK 中内置的 PackMol 工具构建了一个纳米管被足够多的水分子和烷烃分子包埋的模型。

为了研究更大体系在较长时间内的动力学特征,作者还使用了 time-stamped foce-bias Monte Carlo 方法对5 个 CNT、500 个癸烷、4000 个水分子体系进行了 33 ps 时间的动力学模拟。

参考

  • Blacha, A. W., et al, The Origin of Amphipathic Nature of Short and Thin Pristine Carbon Nanotubes—Fully Recyclable 1D Water-in-Oil Emulsion Stabilizers. Adv. Mater. Interfaces 2023, 10, 2202407. https://doi.org/10.1002/admi.202202407

 
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