通过表面活性剂驱动的聚合物胶囊弹性毛细弯曲作用，形成具有复杂曲线多面体几何结构的聚合物包裹油滴和聚合物颗粒

《Chemistry of Materials》：Polymer-Wrapped Oil Droplets and Polymer Particles with Complex Curvilinear Polyhedral Geometries by Surfactant-Driven Elastocapillary Buckling of Polymer Capsules

本研究发现，添加微摩尔浓度表面活性剂（如SDS）可诱导含水油微胶囊的形状复杂化，表现出六角、五角、四角及三角对称性，其机制源于弹性与界面张力的竞争。通过光聚合化和降解胶囊，成功制备了具有类似复杂形状的固体聚合物粒子，并证实了形状的可逆性（如DTAB逆转变形）。该策略为设计形状可控的软材料及光学/电磁响应材料提供了新方法。

　　本文探讨了表面活性剂如何影响薄壁、可变形的聚合物微胶囊及其内部油滴的形态变化。研究发现，当向水性微胶囊分散体系中添加微摩尔浓度的表面活性剂时，会引发微胶囊和其中油滴的复杂形态变化。这种现象为设计具有复杂形状和对称性的油滴及固态聚合物微粒提供了新的思路。

研究团队通过视频显微镜和共聚焦显微镜观察到，在添加表面活性剂后，微胶囊和内部油滴的形态从球形演变为具有六重、五重、四重和三重对称性的非对称形状。实验中发现，这些形态变化受到多种因素的影响，包括表面活性剂的浓度和电荷性质、聚合物微胶囊的直径和壁厚，以及内部油滴的尺寸。研究结果表明，这种形态变化主要由弹性-毛细作用（elastocapillarity）驱动，即表面活性剂改变了弹性能量与界面能量之间的平衡。

在这一过程中，表面活性剂的吸附改变了微胶囊与油滴之间的界面张力，从而影响了它们的接触角和润湿行为。对于较大的微胶囊（如8微米直径的微胶囊），即使在极低浓度的表面活性剂（如1微摩尔）下，也会发生显著的形态变化。相比之下，较小的微胶囊（如5微米直径）在相同条件下仅表现出较小的形态变化。这表明，微胶囊的尺寸和壁厚对表面活性剂引发的形态变化具有重要影响。

通过进一步实验，研究团队发现，当表面活性剂浓度增加时，油滴的形态逐渐从高对称性向低对称性转变。例如，在1微摩尔表面活性剂下，观察到六重、五重、四重和三重对称性的油滴形态；而在更高浓度的表面活性剂（如10微摩尔）下，三重对称性的油滴成为主导形态。这些形态变化在添加阳离子表面活性剂后可逆，油滴和微胶囊能够恢复到原始的球形状态。这一可逆性使得该过程具有潜在的应用价值，如可逆的智能材料设计。

研究还发现，表面活性剂引发的形态变化不仅限于液态油滴，也可以应用于可聚合的油类单体。通过将这些单体封装在微胶囊中，并在表面活性剂存在下诱导其变形，随后进行光聚合，可以制备出具有复杂非对称形状的固态聚合物微粒。这种策略为合成具有特定形态和结构的微粒提供了新的方法。

此外，研究团队还利用可降解的聚合物微胶囊，成功实现了“无壳”聚合物微粒的制备。通过将表面活性剂引入可降解的微胶囊中，诱导油滴变形，随后通过还原反应去除聚合物壳层，得到了具有复杂形状和几何结构的固态微粒。这种方法不仅保留了油滴变形后的形态，还能够实现微粒的无壳封装，为开发新型的智能材料提供了新的可能性。

研究还探讨了这些形态变化的潜在机制。根据实验结果，表面活性剂的吸附改变了油滴与微胶囊之间的界面张力，从而影响了它们的润湿行为和形态。这一过程涉及到弹性能量和界面能量之间的竞争，使得系统在能量最小化的过程中形成特定的形态。通过进一步分析，研究团队认为，这些形态变化是由微胶囊和油滴之间的相互作用引起的，而不是由外部压力导致的。

研究团队还指出，这种基于弹性-毛细作用的形态调控方法在自然界和工业中已有广泛应用。例如，某些真菌利用毛细作用将孢子弹射出去，而昆虫翅膀在雾中变形的现象也与类似的物理机制有关。这些自然现象为人工材料的设计提供了灵感，使得研究人员能够通过调控表面活性剂浓度和微胶囊结构，实现对微胶囊和内部油滴形态的精确控制。

实验还揭示了微胶囊的厚度和尺寸对其形态变化的影响。较薄的微胶囊更容易发生形态变化，而较厚的微胶囊则表现出更强的弹性能量，导致形态变化受限。通过改变微胶囊的层数，研究团队能够灵活调控其壁厚，从而优化形态变化的效果。这些发现为设计具有特定形态和功能的微胶囊提供了理论依据和实验支持。

研究团队进一步通过共聚焦显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对微胶囊和内部油滴的形态进行了详细表征。共聚焦显微镜能够提供三维结构信息，揭示了微胶囊与油滴之间的复杂相互作用。而SEM则能够展示微胶囊变形后的表面结构，包括微米级别的褶皱和凹凸形态。这些技术手段为理解形态变化的微观机制提供了重要支持。

研究还强调了表面活性剂类型对形态变化的影响。例如，阴离子表面活性剂（如SDS）会导致油滴与微胶囊之间接触角的减小，从而引发形态变化。而阳离子表面活性剂（如DTAB）则能够逆转这一过程，使微胶囊和油滴恢复到原始形态。这种可逆性使得表面活性剂成为调控形态变化的一种高效工具。

通过本研究，团队展示了如何利用表面活性剂诱导的润湿行为和弹性-毛细作用，实现对微胶囊和内部油滴形态的精确控制。这一方法不仅适用于液态油滴，也适用于可聚合的油类单体，从而为合成具有复杂形状和结构的微粒提供了新的途径。研究结果表明，这种策略在材料科学和微尺度工程中具有广泛的应用前景，特别是在智能材料、微流体、药物输送和微电子器件等领域。

此外，研究还探讨了微胶囊在不同环境下的稳定性。例如，当表面活性剂浓度较低时，微胶囊能够保持一定的形态稳定性，而在较高浓度下则更容易发生形态变化。这种稳定性对于实际应用中的材料设计至关重要，因为它决定了微胶囊在不同条件下的行为特性。

总之，本文通过系统的研究，揭示了表面活性剂如何通过改变润湿行为和弹性-毛细作用，诱导微胶囊和内部油滴发生复杂形态变化。这一发现不仅拓展了弹性-毛细作用在微尺度材料设计中的应用，还为开发具有特定功能和形态的智能材料提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索这些形态变化对材料性能的影响，以及如何优化表面活性剂浓度和微胶囊结构以实现更精确的形态调控。