研究液滴，发一篇Nature！

米测MeLab

2025-07-29

研究背景

含有两相共存的液体可以形成多种稳定或亚稳态形貌，包括润湿膜、液滴和细丝等。实现这些形貌之间快速且可逆的转换过程一直较为困难，因为促使快速形状变化的物理性质（如低界面张力或低粘度）也为体系提供了放松路径，导致形态状态寿命较短。若能完全可逆地形成长寿命的微区结构，将极大丰富双相液体动态调控的性能（例如用于可调谐光学超材料）。

针对这一挑战，康奈尔大学Sangchul Roh, Youlim Ha & Nicholas L. Abbott团队在“Nature”期刊上发表了题为“Biphasic liquids with shape-shifting and bistable microdomains”的最新论文。本文报道了一种由各向同性油和液晶油组成的双相液体体系，发现了其形状可变且双稳态的微区结构。各向同性油在固体表面与覆盖其上的液晶相之间形成稳定的润湿膜（称为“原始”形态）；当施加频率为10赫兹的低频交流电场（持续时间小于1秒）时，该润湿膜会转变为由液晶中的拓扑缺陷稳定的长寿命球形液滴（称为“临时”形态），寿命超过24小时。

随后施加高频（1千赫兹）交流电场，将在液晶中激发激波结构，开启动力学路径，促使分散液滴快速（少于3秒）聚合并恢复为原始的润湿膜形态。他们展示了该双相体系在不同光学状态之间的快速且可逆切换，且每种状态均可在无需持续施加电场的情况下长时间保持，实现了薄液膜中一直追求的光学性能组合。这种完全可逆且长寿命的乳液形成方式，对于材料合成、微化学系统以及可调谐光学超材料（如控制窗户的能见度和透光率）具有重要应用前景。

研究亮点

（1）实验首次设计并制备了由各向同性油和液晶油组成的双相液体薄膜体系，观察到各向同性油在液晶层下形成稳定的平面润湿膜，该状态为体系的热力学基态且具有高透光率。通过施加低频（10赫兹）交流电场，实现了润湿膜向由液晶中拓扑缺陷稳定的长寿命球形液滴乳液的快速转变，乳液状态可持续超过24小时。

（2）实验通过调控电场频率和强度，发现低频电场诱导的电流体动力学流动驱动邻苯二甲酸二辛酯/鲨烷混合物润湿膜形成Taylor锥，断裂产生微米级球形液滴，继而液晶中的Saturn环和点缺陷调控液滴的聚合行为，实现了液滴尺寸和分散态的稳定调控。

（3）随后施加高频（1千赫兹）电场，激发液晶中的激波结构，开启快速的动力学路径，使液滴在短时间内（少于3秒）聚合并恢复为原始润湿膜形态。该双稳态体系实现了无需持续电场维持的、长寿命且可逆的形态和光学状态切换，为液晶双相体系的动态光学调控提供了新策略，并展示了在材料合成、微化学反应及可调谐光学超材料领域的应用潜力。

图文解读

图1：各向同性油在液晶下的平面润湿膜通过10赫兹电场快速转变为长寿命乳液。

图2：各向同性油在液晶中的长寿命乳液通过1千赫兹电场快速转变为稳定的各向同性油润湿膜。

图3：由激波介导的动力学路径促使分散于液晶中的各向同性油微液滴快速聚合。

图4：基于具有形状记忆微区的双相液体实现的可调谐光片。

结论展望

总体而言，本文结果表明，形状记忆固体（如聚合物和金属合金）的关键行为——包括在两种稳定形态间转换的能力——也可以在双相液体的微区结构中观察到。进一步的初步实验显示，在双相液体体系中可以形成多种不同的临时微区组装，且通过改变各向同性油的组成，可以进一步调控体系性能（详见补充信息第一部分）。加入客体染料，这类染料已被应用于液晶基质和其他双相体系中，用于实现颜色变化和吸热光学薄膜，有望创造可调谐的光学超材料，应用于主动伪装、虚拟现实和增强现实技术，以及优化建筑隐私和能耗的智能窗户。快速调控并稳定多样流体微区的能力，也为材料合成模板的设计和可重构微化学反应器系统的开发提供了新的机会。

原文详情：

Roh, S., Ha, Y. & Abbott, N.L. Biphasic liquids with shape-shifting and bistable microdomains. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09279-2