乳液（液/液）和泡沫（气/液）是工业中广泛应用的多相体系，其通常是热力学不平衡的，但可通过动力学作用使其具有长期稳定性。传统上，使用分子乳化剂或表面活性生物聚合物来降低不混相之间的界面张力避免相分离。近年来，固体颗粒稳定的Pickering多相体系由于其优异的稳定性受到越来越多的关注。在各种固体稳定剂中，来源于农业和林业的纤维素微/纳颗粒由于其独特的形态特征和可调节的表面性质在Pickering多相体系中展现出广阔的应用前景。为此，天津科技大学司传领教授、徐婷副教授与南京林业大学蔡旭敏副教授、广西大学姚双全助理教授、及东北林业大学宦思琪教授合作，从Pickering体系（包括乳液和泡沫）稳定性角度，对纤维素胶体颗粒形成和稳定Pickering多相体系的基本理论、影响因素、制备方法进行全方位的分析、归纳和总结。全面介绍了由纤维素颗粒稳定的Pickering多相体系衍生的新型材料及其在食品、刺激相应型材料和泡沫材料领域的应用。提出了纤维素微/纳颗粒基Pickering多相体系在科学研究中所存在的挑战及解决策略，为纤维素微/纳颗粒基Pickering多相体系的发展提供了新思路。以上相关成果及内容以题为Pickering multiphase materials using plant-based cellulosic micro/nanoparticles发表在《Aggregate》上（中科院1区，IF:18.8），并被遴选为封面文章（图1），第一作者分别为天津科技大学刘慰博士、斯德哥尔摩大学庞博博士和天津科技大学博士生张萌。

图1. 论文被遴选为《Aggregate》封面文章

纤维素微/纳颗粒稳定Pickering体系的理论

基本理论

纤维素微/纳颗粒的界面自组装

  纤维素具有亲水的表面性质，但纤维素颗粒的晶面在结构上是非等效的，当在界面吸附时，它们的疏水边缘（200）会定向向油相弯曲（图2c），即未经修饰的棒状纤维素颗粒可以适应油滴的曲率，促进其在界面进行组装。然而，由于没有实际的疏水性实体与纤维素颗粒的表面相连，它们仅通过表面与油接触，而不是在油相中伸展，这限制了吸附和随后排列的动态调整。利用纤维素颗粒的“伪两亲性”及独特形态特征，它们可以在界面自组装，这高度依赖于它们的尺寸、表面性质、颗粒间相互作用等。表面电荷密度小于0.03 e/nm²的纳米纤维素晶体（CNC）能有效地吸附在油水界面上，形成具有高稳定性的微小液滴，而过高的表面电荷密度（>0.03 e/nm²）则会产生强烈的静电排斥作用，在CNC之间产生阻碍其在界面吸附、排列和连接的效果，导致乳液太稳定。因此，在制备乳液时添加少量盐可以部分中和CNCs的负电荷，提高乳液体系稳定性。

纤维素微/纳颗粒稳定Pickering体系的制备方法

  纤维素颗粒在吸附时可以不可逆地锚定在油水界面上，为了克服颗粒从界面分离所需的能量障碍，通常需要在Pickering乳化过程中施加外力或改变溶液条件。乳化过程中产生的强大机械力有助于克服解吸的能量屏障，从而形成含有相对较小液滴的Pickering液滴。根据机械过程所需能量的不同，Pickering体系的制备方法有三种，分别是定/转子混合、超声乳化和高能均质（图4）。此外，可以产生均匀分布液滴的膜乳化和微流控技术也被用于生产Pickering乳液。然而，因为纤维素颗粒的尺寸大、表面活性低，这两种方法很少用于纤维素颗粒稳定Pickering体系的制备。 

图4. 生产纤维素颗粒稳定Pickering乳液的示意图：a）超声波、b）定/转子混合、c）高压均质

纤维素微/纳颗粒基Pickering多相材料

Pickering乳液在食品领域的应用

Pickering乳液基刺激响应型材料

图6. a）苯基聚乙烯亚胺修饰的CNC和b）聚[2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯](PDMAEMA)-g- CNC稳定的Pickering乳液的pH响应行为示意图；c）由Jeffamine M2005修饰的CNC稳定的Pickering乳液的温度和CO₂双响应原理图

Pickering泡沫的应用

图7. a）没有纤维素颗粒的情况下形成的湿Pickering泡沫（左图），在纤维素颗粒的存在下形成的湿Pickering泡沫（右图）；b）在没有纤维素颗粒的情况下，由湿Pickering泡沫模板制成的固体泡沫，在空气中干燥后为塌陷的粉末（左图）。在纤维素颗粒的存在下，由湿Pickering泡沫模板化制成的固体泡沫保持了初始结构并形成多孔固体

挑战与展望

  纤维素胶体颗粒独特的形态特征和可调的表面特性使其能够在油水界面自组装，形成位阻屏障，抑制分散相液滴的聚集，因而在稳定Pickering多相体系中备受关注。纤维素颗粒在油水界面的组装受其形态、表面电荷、润湿性等因素的影响，可通过物理或化学改性方法进行调节。本文对纤维素胶体颗粒形成和稳定Pickering多相体系的基本理论、影响因素、制备方法进行了全方位的分析、归纳和总结。此外，综述了由纤维素颗粒稳定的Pickering多相体系衍生的新型材料及其在食品、刺激相应型材料和泡沫材料领域的应用。为促进纤维素微/纳米颗粒基Pickering多相体系的发展，本文提出了纤维素微/纳颗粒基Pickering多相体系在科学研究中所存在的挑战及解决策略：

  相关链接https://doi.org/10.1002/agt2.555

作者简介

徐婷，天津科技大学特聘教授，“中国科协青年人才托举工程”（中科协资助）入选者，中国未来女科学家计划候选人。2020年于北京化工大学材料科学与工程学院获得博士学位，同年入职天津科技大学。任The Innovation（SCI一区，IF33.1）等学术期刊青年编委。研究方向包括纸基先进功能材料、纤维素纳米材料的可持续制备及先进纳米生物质复合材料等，先后主持国家自然科学基金、中央引导地方科技发展项目、中国博士后基金面上项目、企业横向项目及全国重点实验室开放基金等10余项。以第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等学术期刊发表论文40余篇（其中ESI高被引论文16篇、热点论文10篇、封面论文12篇）。申请/获授权发明专利11项（其中国际专利4项），制定行业标准1项。先后获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖、中国商业联合会科技进步奖、英国IChemE杰出研究奖等。

司传领，天津科技大学教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者发表论文200余篇，授权发明专利40余项。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。

蔡旭敏，南京林业大学副教授，江苏省“双创博士”，国家“双一流”专业“林产化工”系副主任，于南京大学和慕尼黑工业大学获硕士和博士学位。曾在唐本忠院士指导下开展研究工作，主要从事林木生物资源高值化利用和AIE研究相结合的BioAIE跨学科研究。近3年在Nature Communications、National Science Review、Advanced Science和 Aggregate等期刊发表论文20余篇，主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及重点实验室开放基金等。研究工作得到美国科学促进会EurekAlert、国家科学评论和交汇点媒体杂志等亮点报道。任The Innovation和《生物质化学工程》青年编委。课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/cai_xumin

姚双全，广西大学助理教授，广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室科研秘书，广西大学与纽约州立大学联合培养博士。师从王双飞院士和覃程荣教授，主要从事木质纤维生物质高效清洁分离和纸浆清洁化漂白研究。近3年在Aggregate、Applied Catalysis B: Environmental和Bioresource Technology等期刊发表论文SCI论文30余篇。主持国家重点研发计划子课题、广西自然科学基金及造纸国家重点实验室开放基金等。研究工作得到田纳西大学Arthur J. Ragauskas教授等国内外知名专家学者的认可。任《大连工业大学学报》首届青年编委以及广西博世科环保科技有限公司合作研究员等职务。个人网址链接：https://www.researchgate.net/profile/Shuangquan-Yao

宦思琪，东北林业大学教授，于2017-2021年间在芬兰阿尔托大学和加拿大不列颠哥伦比亚大学从事博士后研究，合作导师Orlando J. Rojas教授。主要从事林木生物质材料多维重组与功能应用研究，现主持国家自然科学基金青年项目、国家博士后面上项目、黑龙江省优秀青年科学基金等项目，近五年在Chemical Reviews、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际知名期刊发表论文50余篇，总引用次数超过3000次，授权发明专利3项。