表面活性劑的性質和功能

盡管表面活性劑的結構不盡相同, 但它們具有相同的基本性質——吸附和聚集。溶于水時, 表面活性劑容易在空氣/水表面吸附(富集), 形成排列整齊的單層膜(圖2(a))。除了空氣/水表面, 表面活性劑還能夠在油/水界面富集并降低界面張力, 改變油/水界面膜的結構和性質。在表面活性劑的輔助下, 油、水能夠形成乳液, 廣泛應用于日常生活和工農業生產。它們亦能夠吸附于固體表面, 提高固體基底的潤濕性。通過吸附降低表/界面張力, 是表面活性劑的基本性質之一。

表面活性劑吸附于空氣/水表面形成單分子膜示意圖(a)以及表面活性劑水溶液中形成的典型聚集體結構(b)。圖(b)中，球形膠束和囊泡的一部分被切除, 以便揭示內部結構。為了更好地展示, 單分子膜和各聚集體尺寸并未按同一表活劑的真實比例給出。

表面活性劑過多、在空氣/水表面達到飽和吸附的時候, 則容易在體相聚集(aggregation)。由于多數表面活性劑會首先聚集成膠束(micelle), 因而這一濃度稱為臨界膠束濃度(critical micellar concentration, cmc)。表面活性劑所形成的聚集體種類多樣, 具體與表面活性劑的結構和濃度, 以及外在條件密切相關, 典型的如球形的、棒狀的、碟狀的和蟲狀的膠束；單層的或多層的囊泡；層狀的、六角狀的、立方狀的液晶, 以及包含三維網絡的凝膠等, 部分類型示意于圖2(b)中。這種聚集過程, 因為是自發的,因而也被稱為自組裝(self-assembly)。這些結構是軟物質和納米科技領域的重要研究對象；同時, 由于這種由無序到有序的自發轉變與熵增定律背道而馳, 因而具有極高的科學研究價值。

表面活性劑典型功能, 以碳氫表面活性劑為例。(a) 增溶。分別為稀土配合物在兩性離子表面活性劑蠕蟲狀膠束中的增溶(i)[19]和富勒烯C60在嵌段共聚物膠束中的增溶(ii)[20] 。(b) 陰離子表面活性劑輔助分散單壁碳納米管模型(左)及分散液的熒光光譜(右) [21] 。(c) 烷基糖苷乳化甲苯-水體系, 水相被染為綠色, 甲苯被染為紅色[22]。(d) 十八烷基蔗糖酯穩定的特級初榨橄欖油泡沫[23]。(e) Pluronic F127作為軟模板與硅納米顆粒作為硬模板協同形成的Pt-Ru納米顆粒[24]

2、表面活性劑的典型功能

表面活性劑易于吸附和自聚集的基本性質衍生出多種多樣的功能。表面活性劑的疏水尾鏈能夠插入油污以降低油/水界面張力, 在機械攪動等輔助下, 進一步將其增溶, 形成溶脹的膠束或乳液。這正是其去污的機理。洗滌, 在表面活性劑許多應用場景中扮演著重要角色。日常生活中, 表面活性劑廣泛存在于各類洗滌用品如洗衣粉、洗潔精、洗發膏中, 是這類產品的核心成分。工農業生產中, 從車輛清洗到三次采油助劑, 無不利用了表面活性劑的這一特性。在前沿基礎研究中, 用相同的原理, 可將結構復雜的難溶物溶解于水中, 形成均一、穩定的溶液。典型的如稀土配合物[19]、富勒烯C60[20]等(圖3(a))。當不溶于水的客體尺寸較大時, 表面活性劑不能輔助其徹底溶解, 而只能包覆在其表面, 起到分散、穩定的作用, 典型的如一維的、表面疏水的碳納米管(圖3(b))[21]。當我們從能量的角度來審視上述的過程, 可以發現, 這實際上是表面活性劑降低固/液界面界面能的過程。同樣地, 表面活性劑的兩親性保證了其在液液界面上的吸附, 產生降低液/液界面能的效果, 典型的應用就是乳化。以圖3c中的體系為例, 水(綠色)和甲苯(紅色)互不相溶, 當向混合液中加入表面活性劑烷基糖苷時, 甲苯與水的界面能降低, 這意味著即使水和甲苯的液/液界面的面積增大體系也可以穩定存在, 因此, 甲苯可以以小尺寸液滴的形式存在水相之內, 形成穩定的乳狀液[22]。同理, 當不溶性氣體被液體分散(包裹)時, 可以形成泡沫體系, 表面活性劑對氣/液界面界面能(表面張力)的降低對于增強泡沫穩定性具有積極作用。得益于表面活性劑科學的發展, 目前發泡領域已經由水相擴展到油相, 發泡性能和泡沫穩定性也達到了較高的水平。一項近期的工作(圖3(d))展示了十八烷基蔗糖酯在特級初榨橄欖油發泡體系中的良好發泡性和高溫穩定性, 相關工作在食品科學領域具有重要應用價值[23]。

在表面活性劑溶液內部, 表面活性劑形成膠束后可以作為一類優良的軟模板, 不僅形成的結構均一穩定, 而且容易脫除, 在無機半導體量子點、硅納米顆粒、分子篩等材料的合成中扮演著重要角色。有趣的是, 表面活性劑軟模板還可以與硅納米顆粒等硬模板協同使用, 例如, 在制備中空、介孔貴金屬材料時, 表面活性劑可與貴金屬鹽共同負載在硬模板表面, 為后續形成的貴金屬顆粒提供介孔模板[24]。這種方法形成的介孔金屬納米顆粒具有高的比表面積, 是一種優良的電催化劑(圖3(e))。表面活性劑形成的膠束內部往往呈非(微)極性狀態, 當少量非極性組分加入表面活性劑溶液時, 其可以被膠束包裹, 形成熱力學穩定的微乳液體系。除了極高的穩定性, 微乳液還具有光學透明的特性, 因此,微乳液在負載油溶性藥物、開發膠體光學等領域具有不可替代的作用[25]。在表面活性劑濃度較高時, 還可形成不同類型的液晶, 稱之為溶致液晶。作為具有長程有序結構的軟材料, 液晶兼具液體的流動性和晶體的有序性, 以液晶為模板合成的材料往往在結構上具有良好的可控性和可塑性, 因而在光學、生命科學、材料學和化妝品科學等領域均獲得了廣泛關注[26]。

表面活性劑在生命體系中的應用也正在被廣泛發掘。陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)是分離蛋白用凝膠劑的輔助成分；使用表面活性劑作為藥物載體、高聚的酚類表面活性劑作為生物粘合劑、環境響應型表面活性劑制備智能軟材料、表面活性蛋白輔助基因工程等研究正在將古老的表面活性劑與“生物的世紀”完美融合。近年來, 表面活性劑在柔性電子器件、燃料電池、高效質子交換膜、節能降污等領域亦大放異彩[27]。此外, 有些表面活性劑還具有殺菌、抗靜電等多種功能。表面活性劑性能的多樣化, 使其應用十分廣泛。除日化、洗滌、化妝品、石油助劑等領域, 表面活性劑在農藥乳劑、礦物浮選、紡織等行業的使用也十分普遍, 因而有“工業味精”的美譽。

需要指出的是, 有時人們對于表面活性劑性能的需求是截然相反的。就乳液而言, 有的體系需要添加表面活性劑增強其穩定性, 此時, 表面活性劑被稱為乳化劑；有的體系又依賴表面活性劑進行破乳, 此時, 表面活性劑又被稱為破乳劑；在泡沫體系中, 表面活性劑既可以被用于增強發泡性能 (發泡劑)又可以被應用于消泡過程(消泡劑)；有的表面活性劑具有良好的生物相容性, 被應用于食品、化妝品等領域, 有的表面活性劑則具有強烈的殺菌效果, 可以實現應用于消殺體系。總之, 人們日常生活和工農業生產的需求是多元的, 在具體選擇時, 應具體情況具體分析。

同時, 表面活性劑除了在單組分情況下可以發揮重要作用, 不同表面活性劑分子間可以產生協同作用, 產生1+1>2的效果。典型的如陰/陽離子表面活性劑復配體系[28]、碳氫/碳氟表面活性劑復配體系[29]、陰/非離子表面活性劑復配體系[30]等。此外, 表面活性劑也可以與生物大分子、天然產物、人工合成聚合物、粘土等一起, 發揮更重要的作用。比如, 肺泡表面活性物質, 就是在脂蛋白協同作用下, 降低肺泡的張力, 發揮生理功能的。