微塑料（MPs）對水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。中空納米碳材料因其可定制結(jié)構(gòu)、功能化表面及巨大的接觸面積，被視為很有潛力的微塑料吸附劑。然而，其實(shí)際應(yīng)用長期受限于一個(gè)關(guān)鍵問題：在制備過程中（尤其是去除二氧化硅模板時(shí)），中空結(jié)構(gòu)極易發(fā)生坍塌。在傳統(tǒng)認(rèn)知誤區(qū)，普遍認(rèn)為中空結(jié)構(gòu)坍塌歸因干燥毛細(xì)管力；該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將界面張力分析和接觸角測量作為核心研究工具，揭示了坍塌的本質(zhì)原因：

1.  曲率效應(yīng)放大界面張力：研究指出，在納米尺度的彎曲碳?xì)け砻妫ㄈ缰锌涨颍?液界面處的切向界面張力（γ??）會產(chǎn)生巨大的附加壓力差（ΔP），方向向內(nèi)擠壓。計(jì)算表明，該壓力在納米尺度可達(dá)約 0.57 MPa (5.7 × 10? Pa)，是宏觀尺度下的約10?倍！

2.  接觸角是界面性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)：在去除二氧化硅模板過程中，NaOH處理使碳?xì)け砻娓缓H水性含氧基團(tuán)（-OH, -COOH），導(dǎo)致水溶液在其表面的接觸角僅為25.1°（高度親水）。這種強(qiáng)親水性意味著高的固-液界面張力（γ?? 高達(dá) 41.3 mN m?1）。

3.  壓力差公式量化風(fēng)險(xiǎn)：根據(jù)楊-拉普拉斯方程（ΔP = 2γ?? / R，其中R為曲率半徑），小尺寸（高曲率）和/或高界面張力會顯著增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌的內(nèi)向壓力。

圖1.

a) 中空納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析示意圖。b) 本研究與文獻(xiàn)報(bào)道(表S1)的收縮或共分析。透射電鏡圖像顯示：c) 初始階段(Fe₃O₄@C/SiO₂)、d) 坍塌結(jié)構(gòu)(Fe₃O₄@C)以及e) 經(jīng)硫修飾及二氧化硅蝕刻后的中空結(jié)構(gòu)(Fe₃O₄@C/S)。

為解決坍塌問題，研究者提出了創(chuàng)新的“硫改性"策略，并通過接觸角和界面張力測試精確驗(yàn)證了其效果與機(jī)制：

1. 硫改性引入C-S鍵：在碳基質(zhì)中引入共價(jià)C-S鍵（如噻吩-S），取代部分極性含氧基團(tuán)。

2. 接觸角顯著增大：接觸角測試顯示，改性后材料表面接觸角從 25.1°躍升至 92.0°，表面性質(zhì)由強(qiáng)親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?/p>

3. 界面張力大幅降低：接觸角的增大（疏水性增強(qiáng)）直接導(dǎo)致計(jì)算得出的固-液界面張力（γ??）從 41.3 mN m?1 急劇降低至 6.97 mN m?1。

4. 坍塌壓力銳減：根據(jù) ΔP = 2γ?? / R 計(jì)算，作用于碳?xì)ど系膬?nèi)向壓力差從 0.57 MPa 降至 0.10 MPa (降低5.7倍)。接觸角和界面張力數(shù)據(jù)清晰證明了硫改性通過降低γ??來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)機(jī)制。

5. 尺寸普適性驗(yàn)證：結(jié)合不同尺寸樣品的TEM觀察和收縮率統(tǒng)計(jì)，研究證實(shí)硫改性策略能有效穩(wěn)定不同尺寸（190-330 nm）的中空結(jié)構(gòu)，且尺寸越小，改性帶來的穩(wěn)定性提升越顯著。張力測試（γ??值）和接觸角是評估該普適性的關(guān)鍵量化指標(biāo)。

圖2.

a)基于楊氏方程的潤濕特性及接觸線處力平衡示意圖。b)硫改性前后不同尺寸空心納米結(jié)構(gòu)所受壓力差。c)不同接觸角下固-液界面張力與空腔收縮情況。d)不同硫化時(shí)間下硫化碳表面的靜態(tài)水接觸角。

得益于界面張力調(diào)控實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定中空結(jié)構(gòu)和硫改性賦予的表面特性：

1.  超大接觸面積:完整的空心球結(jié)構(gòu)提供了巨大的外部接觸面積，實(shí)現(xiàn)高容量吸附（63.6 m²g^-1），遠(yuǎn)超坍塌結(jié)構(gòu)(23.31m²g^-1)

2.  表面電荷反轉(zhuǎn)與廣適性：硫改性（C-S鍵）增強(qiáng)了碳環(huán)芳香性，產(chǎn)生帶正電的噻吩硫位點(diǎn)，削弱了與OH?的氫鍵，使碳表面在寬pH范圍（3-9）帶正電（ζ電位測試證實(shí)）。接觸角/張力測試關(guān)聯(lián)的表面改性，使材料表面電荷特性與大多數(shù)帶負(fù)電的微塑料在寬pH下產(chǎn)生靜電吸引力。

3.  磁加速傳遞： 內(nèi)置Fe?O?磁核在交變磁場（AMF）下高頻翻轉(zhuǎn)，極大加速微塑料向吸附劑的傳質(zhì)過程。

4.  捕獲性能：

●秒級清除： AMF下10秒內(nèi)對HDPE微塑料清除率達(dá) 100%。

●超高容量： 吸附容量高達(dá) 53,600 mg g?1。

●廣譜適用：有效捕獲PET, HDPE, PVC, PP, PS等多種微塑料。

●環(huán)境耐受：在寬pH (3-9)、高鹽度(0-50 g/kg，適應(yīng)海水)、含染料廢水中均保持高效。

●循環(huán)穩(wěn)定： 5次循環(huán)后效率仍>98%。

圖3.

a) 10 mg mL^?1 HDPE微塑料與0.5 mg mL^?1磁性納米顆粒在不同pH值(3、5、7和9)下的捕獲性能。b) HDPE微塑料初始懸浮液及在不同樣品(施加/不施加交變磁場)作用后的捕獲效果照片。c) 中空Fe₃O₄@C/S納米捕獲劑在不同濃度下對HDPE微塑料的捕獲效率與容量。d) 多種微塑料(PET、HDPE、PVC、PP及PS)的捕獲測試。e) 不同微塑料的循環(huán)捕獲效率。捕獲條件：微塑料濃度10 mg mL^?1，磁性納米顆粒濃度0.5 mg mL^?1，懸浮液體積5 mL，溫度25°C，交變磁場強(qiáng)度60 mT（固定頻率100 kHz），中性pH環(huán)境。

這項(xiàng)突破性研究充分彰顯了界面張力分析和接觸角測試在先進(jìn)功能材料（尤其是納米結(jié)構(gòu)材料）研發(fā)與應(yīng)用中的不可替代價(jià)值：

1.  揭示微觀機(jī)理的金鑰匙： 精準(zhǔn)量化納米尺度下的界面作用力（如γ??），解釋宏觀難以觀察的現(xiàn)象（如納米中空結(jié)構(gòu)坍塌）。

2.  指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的羅盤： 為改性策略（如本研究的硫摻雜）提供理論依據(jù)和效果評估標(biāo)準(zhǔn)（接觸角變化→γ??變化→ΔP變化→穩(wěn)定性預(yù)測）。

3.  優(yōu)化性能的導(dǎo)航儀： 通過調(diào)控界面性質(zhì)（親疏水性、電荷）直接關(guān)聯(lián)并提升材料的最終應(yīng)用性能（吸附容量、速度、環(huán)境適應(yīng)性）。

4.  實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)合成的保障： 為合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能可控的納米材料（如中空、核殼結(jié)構(gòu)）提供關(guān)鍵的物理化學(xué)參數(shù)和調(diào)控方向。

5. 推動環(huán)境技術(shù)革新： 在環(huán)境修復(fù)材料（如微塑料吸附劑、油水分離材料）、能源材料（電池電極、催化劑載體）、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

接觸角與界面張力測試將帶動納米環(huán)境材料設(shè)計(jì)新范式：通過量化固液界面作用力（如γ??計(jì)算指導(dǎo)硫改性），可精準(zhǔn)調(diào)控材料穩(wěn)定性與表面特性。該策略有望突破微塑料捕獲瓶頸——開發(fā)智能響應(yīng)界面（pH/光調(diào)控接觸角）、構(gòu)建磁-電協(xié)同強(qiáng)化系統(tǒng)，將吸附容量提升至10? mg/g級；更可拓展至油污分離、催化降解等場景，為水體修復(fù)提供普適性解決方案。

參考文獻(xiàn)：

【1】Zhang, Rui-Ping, et al. "C–S Bonds Modulated Nanointerface Tension to Create Stable Magnetic Hollow Nanocarbons for Efficient Microplastics Capture." Angewandte Chemie International Edition, vol. 64, 2025, p. e202501973. DOI:10.1002/anie.202501973.