你是否想過(guò)，為什么油和水混合時(shí)會(huì )產(chǎn)生穩定的乳液？為什么微小水滴中化學(xué)反應速度能飆升上千倍？
實(shí)際上，水在疏水界面處表現出豐富而復雜的行為，并在化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和工程學(xué)中發(fā)揮著(zhù)重要作用，而這種界面水的行為也是困擾科學(xué)家上百年的基礎科學(xué)問(wèn)題，存在著(zhù)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，水分子不僅結構“混亂”，還暗藏比閃電更強的電場(chǎng)！這一發(fā)現挑戰了傳統教科書(shū)中對疏水界面“惰性”屬性的固有認知，解釋了近年火爆科學(xué)界的“微液滴加速反應”現象，也為綠色化學(xué)和生物醫學(xué)開(kāi)辟新路徑。
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(shí)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旦大學(xué)，現為復旦大學(xué)生物醫學(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(mǎn)爭議。傳統理論認為，疏水界面會(huì )迫使水分子排列成規整的“冰狀”結構，氫鍵網(wǎng)絡(luò )更為緊密。然而，這種假設始終缺乏直接證據。更蹊蹺的是，油滴表面自帶負電荷（zeta電位），暗示著(zhù)神秘電場(chǎng)的存在——這電荷從何而來(lái)？電場(chǎng)強度究竟多大？這些問(wèn)題困擾學(xué)界上百年。
黑科技登場(chǎng)：拉曼光譜“透視”單分子層
在這項最新研究中，研究團隊開(kāi)發(fā)了一項革命性技術(shù)——拉曼多變量曲線(xiàn)解析（Raman-MCR）。傳統拉曼光譜像用普通相機拍攝人群，難以區分界面和內部水分子的信號。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(dòng)特征。配合分子動(dòng)力學(xué)模擬，人們首次看清了界面水的“真面目”。
顛覆認知的發(fā)現：無(wú)序水層+隱形強電場(chǎng)
1、水分子“放飛自我”
實(shí)驗結果顯示，油滴表面的水完全顛覆了傳統認知：
氫鍵網(wǎng)絡(luò )斷裂：油滴界面處（3250 cm?¹）標志性的強氫鍵特征峰幾乎消失，說(shuō)明水分子間結合力減弱。
四面體結構瓦解：模擬表明，界面水分子排列無(wú)序，更像液態(tài)而非冰的結構。
自由羥基涌現：大量羥基（-OH）像天線(xiàn)般伸向油相，其拉曼峰出現 95 cm?¹ 紅移——這暗示它們正承受著(zhù)外界巨力！
2、電場(chǎng)強度超乎想象
紅移現象指向一個(gè)驚人的結論：油滴表面存在 50-90 MV/cm 的強電場(chǎng)（相當于家用插座電場(chǎng)的一億倍！）。
研究團隊通過(guò)三重驗證鎖定源頭：
電荷密度計算：根據乳液zeta電位（-60 mV），電場(chǎng)強度理論值達 52 MV/cm。
表面活性劑實(shí)驗：加入去污劑 Triton 降低電荷后，紅移顯著(zhù)減弱。
極化模型模擬：電場(chǎng)作用下，羥基振動(dòng)頻率變化與實(shí)驗完美吻合。
電場(chǎng)驅動(dòng)化學(xué)反應：微液滴為何成為“加速器”？
這一發(fā)現解釋了近年火爆科學(xué)界的“微液滴加速反應”現象。強電場(chǎng)如同無(wú)形之手：
降低反應能壘：假設某反應過(guò)渡態(tài)偶極矩變化為 2 D，50 MV/cm 電場(chǎng)可直接削減 4.8 kcal/mol 能壘，反應速率提升萬(wàn)倍！
定向牽引分子：帶電界面迫使反應物富集并定向排列，碰撞效率激增。
上述機制在藥物合成、CO? 轉化等領(lǐng)域潛力巨大。例如，研究團隊此前發(fā)現微液滴中的氮氣可直接固氮生成氨，顛覆了傳統的高溫高壓工藝。
從沙拉醬的穩定乳液到云端的降水微滴，微觀(guān)界面的“水電交響曲”無(wú)處不在。這項研究不僅揭示了自然的基本法則，更為人類(lèi)駕馭微觀(guān)世界提供了全新工具。
所以，下一次當你搖晃油醋瓶時(shí)，不妨想象：每一顆油滴都在上演著(zhù)電場(chǎng)驅動(dòng)的分子狂想曲！
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08702-y
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