Nature：改寫教科書，揭開油滴界面水超強(qiáng)活性之謎！一作已回國加入復(fù)旦大學(xué)

熱門推薦：強(qiáng)電場 , 水結(jié)構(gòu) , 油水界面 ,

作者：王聰來源：生物世界

2025-03-21

哥倫比亞大學(xué)閔瑋教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)油滴界面水結(jié)構(gòu)無序且存在強(qiáng)電場，該成果解釋了微液滴加速反應(yīng)現(xiàn)象并具有應(yīng)用潛力。

你是否想過，為什么油和水混合時會產(chǎn)生穩(wěn)定的乳液？為什么微小水滴中化學(xué)反應(yīng)速度能飆升上千倍？

實際上，水在疏水界面處表現(xiàn)出豐富而復(fù)雜的行為，并在化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和工程學(xué)中發(fā)揮著重要作用，而這種界面水的行為也是困擾科學(xué)家上百年的基礎(chǔ)科學(xué)問題，存在著諸多爭議和未解之謎。

2025年3月19日，哥倫比亞大學(xué)閔瑋教授團(tuán)隊在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Water structure and electric fields at the interface of oil droplets 的研究論文。

這項突破性研究顯示，油滴與水接觸的界面處，水分子不僅結(jié)構(gòu)“混亂”，還暗藏比閃電更強(qiáng)的電場！這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)教科書中對疏水界面“惰性”屬性的固有認(rèn)知，解釋了近年火爆科學(xué)界的“微液滴加速反應(yīng)”現(xiàn)象，也為綠色化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)開辟新路徑。

研究顯示

施立雪博士

施立雪，2014 年本科畢業(yè)于北京大學(xué)，此后在哥倫比亞大學(xué)閔瑋實驗室讀博并進(jìn)行博士后研究，在此期間，作為第一作者或共同第一作者 Nature Biotechnology、Nature Methods、Nature Photonics、Nature Communications 等期刊發(fā)表多篇研究論文。2022 年底，施立雪博士全職回國加入復(fù)旦大學(xué)，現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院研究員。

油水界面：爭議百年的科學(xué)難題

水是生命之源，但其在疏水表面（如油滴）的界面行為卻充滿爭議。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，疏水界面會迫使水分子排列成規(guī)整的“冰狀”結(jié)構(gòu)，氫鍵網(wǎng)絡(luò)更為緊密。然而，這種假設(shè)始終缺乏直接證據(jù)。更蹊蹺的是，油滴表面自帶負(fù)電荷（zeta電位），暗示著神秘電場的存在——這電荷從何而來？電場強(qiáng)度究竟多大？這些問題困擾學(xué)界上百年。

黑科技登場：拉曼光譜“透視”單分子層

在這項最新研究中，研究團(tuán)隊開發(fā)了一項革命性技術(shù)——拉曼多變量曲線解析（Raman-MCR）。傳統(tǒng)拉曼光譜像用普通相機(jī)拍攝人群，難以區(qū)分界面和內(nèi)部水分子的信號。而 Raman-MCR 如同配備 AI 識別的超清鏡頭，能精準(zhǔn)剝離體相水的“背景噪音”，只捕捉油滴表面單層水分子的振動特征。配合分子動力學(xué)模擬，人們首次看清了界面水的“真面目”。