近日，我校周国富团队李皓课题组以“Adjusting Interface Action and Spacing for Control of Particle Potential”为题，在国际纳米材料领域的顶级期刊《Small》上发表研究成果，该论文还被选为当期的Frontispiece卷首论文，题目（DOI：10.1002/smll.202408558）。2022级博士研究生秦冕为本文的第一作者，李皓副教授和周国富教授为本文的共同通讯作者。本研究得到了广东省本土创新创业团队项目、广东省光信息材料与技术重点实验室、广州市类纸显示材料与器件重点实验室等多个项目的经费支持。

胶体粒子表面电荷的获取、控制及调节一直是极具挑战性的核心问题，尤其是低极性或非极性的油性介质中的作用机制一直尚未明朗。因为油性介质较低的介电常数会使 Bjerrum 长度大幅增加，所以传统的离子解离或吸附理论难以解释胶体表面电荷的产生与稳定规律。对于常用的金属氧化物粒子，其表面丰富的羟基易与酸碱表面活性剂结合，导致充电过程复杂多变，在非极性介质中的界面相互作用研究更是极少。

图1 表面接枝PLMA的纳米TiO2电泳粒子结构与表面电荷

调控机制示意图

为攻克这一难题，周国富团队李皓课题组开展了深入研究。首先，通过硅烷化将端乙烯基和极性亚胺基引入纳米二氧化钛（TiO2）粒子表面，然后利用自由基聚合接枝不同长度的聚甲基丙烯酸月桂酯（PLMA）分子链。实验结果表明，随着链长增加，PLMA与TiO2表面 诱导-OH 基团、与非离子表面活性剂间的相互作用产生了显著变化。对于粒子表面电位，随着异构十二烷溶液中碱性表面活性剂——聚异丁烯丁二酰亚胺（PIBS）浓度增加，接枝短链 PLMA 的TiO2粒子表面电位会先正后负，而接枝长链PLMA 的则保持着正电性。但在含有高酸性表面活性剂——聚异丁烯丁二酸酐（PIBSA）的异构十二烷溶液中，无论接枝的PLMA链长短，粒子表面电位始终处于正电位。

图2 在含有PIBS/PIBSA的异构十二烷溶液中不同纳米TiO2

电泳粒子的表面电荷变化

通过理论计算发现，表面接枝的PLMA链所产生的空间位阻在粒子表面电荷调控过程中起到了关键作用。一旦PLMA链的重复单元数超过12，明显的空间位阻效应将有效地阻碍粒子表面 -OH 基团与表面活性剂的接触，进而导致粒子表面电荷性质不易受表面活性剂和反胶束的影响，能够保持恒定。本研究不仅揭示了在非极性介质中调控胶体粒子表面电荷的新机制，也提升了金属氧化物粒子在电泳显示等领域的实用效能，有望为电泳显示电子墨水的性能优化提供一种简便、精确且极具前景的控制方法，对推动相关领域的发展具有重要意义。

图3 表面接枝长链PLMA的纳米TiO2电泳粒子的电泳显示效果

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202408558