清华大学孙超团队在《J. Colloid Interf. Sci.》发表了题为“Spontaneously formed multiscale nano-domains in monophasic region of ternary solution”的研究论文。该工作聚焦于多相多组分流体中的共性基础问题，揭示了在宏观均一的单相三元溶液中可自发形成多尺度纳米结构域。清华能动系博士后厉明波为第一作者，孙超教授为通讯作者。

　　该研究的对象为三元混合溶液，其中包含一种助水溶剂和两种互不混溶但可以任意比例溶于该助水溶剂的液体。该类三元流体系统展现出了异常的增溶能力和介观性质，近几十年来一直受到普遍争议（图9）。该研究从三元流体的宏观物理特性出发，系统地揭示了该流体的折射率、粘度等参数的组分依赖性，构建起宏观物理性质与纳米微域结构化组成之间的关系。动态光散射图谱表明，该体系中存在不同的纳米级平衡域：分子尺度的胶束状聚集体（~1 nm）或反相聚集体（~5 nm），和中尺度的介观液滴（~100 nm）。这些结构体是具有宏观寿命的物理实体，而不是简单的临界密度波动。然而，疏水组分只有极少部分比例以中尺度结构体的形式存在，大比例仍以分子或聚集体的形式存在。该介观液滴具有特定的纳米尺寸分布区间，且对流体组分比例的依赖性较弱；其数量浓度显著依赖于组分比例，可通过消耗分子聚集体而形成，具备可逆生成-破坏的特性。

　　同时，研究揭示了该纳米结构域表现出长期的热力学稳定性，Ostwald-ripening仍是控制其老化的核心机制，但速率极低。其稳定性可依赖于双亲性分子和水分子之间形成强氢键的屏蔽效应、双亲性分子在界面处的结构化排布以及胶体稳定性。屏蔽层将介观液滴的疏水核心与本体溶液物理隔离，从而有效降低了表面张力。但由于其动力学演化极端缓慢，很难断定它们是热力学平衡状态还是动力学捕获的结构。这些多尺度纳米级结构体在一定程度上决定了该三元流体系统的整体性质，例如溶剂化能力或扩散性质，进而影响其宏观输运性能和相变特性，因此具有广泛的应用前景。

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.07.152。

图9：三元单相流体中存在的多尺度纳米结构域：分子聚集体和介观液滴。