斯隆研究奖得主，哥伦比亚大学闵玮水油界面新发现，最新成果登上Nature！

界面处水的分子性质的变化对于理解吸收、结合和反应性至关重要。这可以在自然界中广泛存在的油水滴中看到。油水乳液表现出较大的负电位，这意味着它们带电荷。这一特性解释了乳液的长期稳定性，并将其与油水平面界面区分开来。虽然电荷的分子来源仍然未知，但净电荷的存在会在油滴中产生电场。如果场强足够大，它可以驱动界面化学反应，这一假设目前正在对水性微滴进行积极研究。

和频振动光谱(VSFG)是表征平面空气和油与水界面的主要光谱技术。然而，它面临着诸如部分润湿、表面活性杂质的存在以及来自大量水信号的干扰等挑战，这些干扰使其不是完全界面特定的。通过用亚稳态但长寿命的油包水乳液取代平面界面，由于表面与体积比更大，杂质问题会减少。虽然可以用和频振动散射(VSFS)实验来探测乳液，但一个关键的限制是红外辐射通过水介质的衰减。这种衰减以频率相关的方式影响光谱，使校正困难。此外，尽管VSFG和VSFS均可有效研究各种疏水-水界面，但将它们的光谱与单一体相进行比较是不可行的。

创新的光谱学方法 ：开发了一种结合多变量曲线分辨的拉曼光谱学方法，用于研究油水乳液界面的水分子特性，提供了直接的、在溶液中的界面选择性。

揭示水分子结构变化 ：发现油水乳液界面处的水分子具有降低的四面体序和较弱的氢键，与平面油水界面相比，表现出独特的水结构特征。

自由羟基的红移现象 ：观察到油水乳液界面处存在大量自由羟基，其伸缩模式比平面油水界面的自由羟基红移约95 cm ^-1 ，这一现象与界面处强烈的电场有关。

电场的间接证据 ：基于油滴的Zeta电位特性，推测油水乳液界面存在强烈的电场（约50-90 MV cm ^-1 ），并通过控制实验和理论估计提供了支持。

独特的界面特性 ：指出油水乳液界面处的水结构无序和增强的电场是该界面的独特特征，可能有助于解释在疏水-水界面观察到的加速化学反应性。

图1.水中油滴的拉曼-MCR光谱

图2.受油扰动的油滴SC水光谱

图3.水油界面和SC光谱的计算结构

图4.油-Triton纳米液滴的SC水光谱

通过开发并应用创新的溶液中界面选择性拉曼光谱技术，这项研究得以以前所未有的精度揭示油滴-水界面的微观结构和电场特性。这种方法克服了传统技术在研究溶液中油水界面时面临的挑战，能够更直接、更清晰地获取界面水分子的结构信息。这意味着未来在研究各种液-液界面，例如乳液、胶体甚至生物膜等复杂体系时，科学家们拥有了一个更强大的工具，可以更深入地理解界面上的分子行为和相互作用。研究结果表明，在油滴的弯曲界面上，水分子并非像之前一些理论预测的那样呈现更强的有序性和氢键网络。相反，实验观察到了四面体有序性的降低和氢键的弱化。这一发现挑战了我们对疏水界面水结构的传统认知，暗示着界面水的行为可能比我们想象的更加动态和无序。这对于构建更准确的界面模型至关重要，并可能影响我们对疏水相互作用、分子自组装等基本物理化学过程的理解。