研究背景
纳米尺度下的流体行为，尤其是纳米液滴的形成和合并，如雨滴形成、细胞相互作用、喷墨打印和药物递送等，在自然界和工业应用中普遍存在且尤为重要，一直受到研究人员的广泛关注。在纳米尺度上研究和理解纳米液滴的动态过程，有助于我们揭示纳米尺度下液滴与表面的相互作用过程以及液滴与液滴间的相互作用过程、分析纳米尺度下的流体行为，为微流控芯片、纳米传感器等纳米器件的设计和制造提供重要参考。
图1. 使用基于石墨烯液体池的液相电镜技术研究纳米液滴的动态行为。
文章亮点
近日，北京大学王欢研究员在JPCB上发表文章，利用基于石墨烯液体池（Graphene Liquid Cells, GLCs）的液相透射电镜（Liquid Phase Transmission Electron Microscopy, LP-TEM）技术，对超薄水膜上纳米液滴的形成和生长模式进行了研究。观察和测量纳米尺度下的流体行为需要兼具高时空分辨率和高灵敏度的实验技术。针对这一问题，基于GLCs的LP-TEM技术可以对液相样品进行原位录影，实现了纳米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨率。利用这一技术，王欢课题组对GLCs中超薄液膜由于瑞利不稳定性形成纳米液滴的过程进行了动态成像，捕捉到了纳米液滴形成、生长以及融合等动态过程，通过定量分析研究并归纳了纳米级液滴的生长和动态行为模式。
图2. 液桥在不同几何形状的 GLC 中的投影方式不同从而实现多角度观察。
研究表明，液滴的形成因其在GLCs中位置的不同而在二维投影的电镜图像中呈现两种生长模式：逐渐长大的圆形液滴或以波浪形式增长的半圆形液滴；液滴形成后，会通过液相传质或液滴合并两种模式继续长大；液滴合并不仅会导致进一步的液滴生长，同时也会导致液桥的形成。GLCs不同的几何形状为我们从不同投影角度监测并定量分析液滴的动态行为提供了机会。
总结与展望
基于以上对纳米尺度下液滴动态行为的归纳和分析，GLCs有望作为在纳米尺度下分析液滴-表面相互作用和液滴-液滴相互作用的研究平台，帮助我们加深对GLCs和碳纳米管中液体传质过程的理解，揭示纳米尺度下的流体行为与宏观流体行为在表面张力、毛细管效应等方面不同的物理特性，为纳米液滴的形成和操控提供新的理解。
相关论文发表在JPCB上，北京大学博士研究生李佳烨为文章的第一作者，王欢研究员为通讯作者，研究受国自然基金委基金支持。
通讯作者信息
王欢 研究员
王欢，2009年毕业于北京师范大学化学学院，获得理学学士学位；2015年获得美国亚利桑那大学化学与生化系理学博士学位；2015年至2020年于韩国国家基础科学研究院(IBS)担任博士后、研究员，以及长聘资深研究员，期间被评为韩国基础科学研究中心年度研究员。2021年至今于北京大学化学与分子工程学院担任研究员，获得优秀青年科学基金项目(海外)及中国科协青年人才托举工程资助。研究方向包括：单分子液相电镜、多模态谱学成像方法开发及非平衡化学反应和生化体系的研究。
课题组网站：www.chem.pku.edu.cn/wanghuan/
原文信息
英文原题：Modes of Nanodroplet Formation and Growth on an Ultrathin Water Film
通讯作者：王欢，北京大学化学与分子工程学院
作者：Jia-ye Li (李佳烨), Zi-bing Wang (王梓冰), Zhi-peng Xu (徐志鹏), Dong-dong Xiao (肖东东), Lin Gu (谷林)
J. Phys. Chem. B 2024, ASAP
Publication Date: April 3, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c07150
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