第一作者：周朝辉、雷津美

通讯作者：侯旭、吕伟峰

通讯单位：提高油气采收率全国重点实验室（中国石油勘探开发研究院）、厦门大学化学化工学院、表界面化学全国重点实验室

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68447-8

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传统基于液-液界面的分子自组装过程常受重力引起的密度分层限制，难以合成具有“倒置”结构的亚稳态纳米薄膜。本文提出了一种反重力限域界面自组装（ACIS）方法，用于合成与表征自支撑纳米薄膜。ACIS方法通过亲水-疏水多孔膜（如尼龙与PTFE）间的液-液限域界面，利用毛细作用力抑制重力效应，实现分子的精准有序组装。该方法以β-环糊精（β-CD）与十二烷为模型体系，通过主客体作用形成两亲性复合物，并在界面处通过氢键自组装形成稳定、有序的纳米薄膜（厚度低于100 nm）。实验与理论计算（结合量子化学、密度泛函和Fick第一定律）表明，ACIS能显著提升薄膜面积（相比重力法提高17倍，相比非限域法提高109倍），并赋予薄膜优异的机械强度、自修复及抗污染性能。此外，ACIS在材料工程、食品保温、乳液制备及绿色提高原油采收率等领域展现出应用潜力，同时提供了一种基于跨膜压强测量的原位纳米薄膜力学表征新策略，为功能纳米材料的设计与制备提供了新范式。

背景介绍

限域界面自组装是一种在限域空间内，分子于界面或表面处自发形成有序结构的重要材料合成过程，广泛应用于纳米技术、环境科学和生物医学工程领域。然而，在自组装过程中，重力诱导的分层会导致密度驱动的垂直分离，重组分下沉、轻组分上浮，形成固有的密度梯度。这一效应严重限制了需要倒置结构的亚稳态纳米薄膜的合成，这种强行反转分子分布会破坏热力学平衡，造成局部应力集中，最终使界面组装过程不稳定，从而影响材料合成的稳定性。

目前，环糊精（CD）薄膜的合成主要依赖于主客体相互作用、氢键相互作用、界面吸附和静电相互作用，以及自组装、界面聚合、化学交联、浇铸以及各种涂层等方法。如果CD薄膜更薄，将具有轻质、自愈性、流动性、柔韧性、最大选择性和渗透性等特性。传统制备纳米薄膜方法主要依赖于使用刚性支撑基底的复合物合成或液-液界面自组装。然而，这种非均质结构形成的薄膜的超薄厚度不能被视为薄膜本身的固有厚度，液-液界面自组装往往在重力分布下进行且需要输入外力。这些局限性主要受相密度的影响，这会妨碍在自组装过程中液体的选择（尤其是在相密度较高的相中具有功能性的分子）、大规模合成CD自支撑纳米薄膜（CSNs）以及实际应用场景（如油田）的应用，最终影响反应界面的稳定性和纳米薄膜的形态结构。因此，开发一种能够克服重力限制、实现大面积、高稳定纳米薄膜的新方法，具有重要的科学意义与应用价值。

研究出发点

1）开发新方法以克服重力限制：针对重力导致的自组装过程中两相分布情况，采用不对称亲水-疏水多孔膜构筑限域空间，利用毛细力克服重力限制，建立稳定的反重力限域界面。

2）揭示新方法的纳米薄膜合成机理与关键影响因素：以环境友好的环糊精（CD）体系为模型，结合实验表征（如临界跨膜压强测量、界面张力分析、扫描电镜）与多尺度理论计算（如Fick第一定律、密度泛函理论、量子化学计算），系统研究ACIS过程中分子扩散、主客体相互作用、氢键组装的内在机制，并明确膜孔径、CD浓度、烷烃链长等关键参数的影响。

3）展示方法的通用性与应用潜力：验证ACIS在不同形状模板下的图案化薄膜合成能力，并探索其在保温材料、乳化过程、绿色石油开采等实际场景中的应用效能，同时建立基于该方法的超薄膜机械强度表征新策略。

图文解析

研究通过将浸润β-CD溶液的尼龙膜（亲水）与浸润十二烷的PTFE膜（疏水）叠加，构建了一个毛细力主导的反重力限域界面。在此界面，毛细力克服了因密度差产生的重力限制，使CD分子能高效扩散至界面，与十二烷通过主客体作用形成类表面活性剂复合物，显著降低界面张力。这些复合物随后通过分子间氢键进行界面聚合，最终自组装形成连续、均匀的自支撑纳米薄膜（CSNs）。扫描电镜（SEM）证实薄膜厚度约90 nm，且表面光滑。

图1 反重力限域界面自组装(ACIS)合成环糊精(CD)自支撑纳米薄膜(CSNs)的机理

系统研究了膜孔径、CD类型、烷烃链长对CSNs性能的影响。临界跨膜压强测试表明，由β-CD与十二烷在最优条件（如5 μm膜孔径）下合成的CSNs具有最高的机械稳定性（临界压力~49.76 kPa）。循环压强测试证明了CSNs优异的自修复能力：薄膜在临界压强下破裂后，压强释放可自发重组。此外，ACIS方法实现了薄膜面积的大幅提升，在同等液体用量下，其成膜面积分别是重力法（GIS）和非限域法（UIS）的17倍和109倍。

图2 CSNs的合成及其性质

通过系列实验结合理论计算，阐明了合成条件的影响。β-CD浓度（最优0.004 mol/L）和反应时间是影响薄膜形成与厚度的关键。动态界面张力测试和量子化学计算（结合能~-28 kcal/mol）共同证实，β-CD与中链烷烃（十二烷）能形成最稳定的两亲性复合物，这是高效组装的基础。理论计算进一步揭示了界面处β-CD分子通过氢键网络连接的组装模式。

图3 CSNs的影响因素及理论机理

通过裁剪尼龙膜和PTFE膜的形状（心形、星形、叶片形等），可制备相应形状的CSNs。ACIS体系中的十二烷比GIS体系散热更慢，3分钟后温度高3°C，显示出隔热潜力。ACIS可实现CD溶液在烷烃相中的均匀分散，这种通过界面纳米薄膜实现的乳化过程，具有良好的稳定性，有望在乳液制备领域得到广泛应用。提高原油采收率（EOR）：在石油驱替实验中，形成CSNs后，驱替压力从0.26 MPa大幅提升至8.65 MPa，表明薄膜能有效封堵高渗通道，使驱替液能够进入小孔隙驱油，提高采收率。CD的生物相容性也使该方法更具绿色优势。基于ACIS开发了“液体夹具”装置，通过测量成膜前后系统开启的临界压强差（ΔP），实现了纳米薄膜原位的力学强度表征。

图4 ACIS合成CSNs的应用

总结与展望

本研究成功开发了一种反重力限域界面自组装（ACIS）新方法，利用亲水-疏水多孔膜间的毛细力对抗重力，实现了反重力限域界面上自支撑纳米薄膜的高效、可控合成。该方法不仅大幅提升了成膜面积与有序性，还展示了薄膜自修复、高机械强度等特性。通过多尺度实验与理论相结合，深入揭示了分子扩散、主客体相互作用及氢键组装的协同机制。更重要的是，ACIS展示了在材料学、食品加工和化学工程中的广泛潜力，并创新性地提供了原位表征超薄膜机械强度的方法。该工作为重力限制下的纳米材料精确组装提供了全新思路。未来，将继续优化该方法，以表征实际应用场景的温度和压强下的界面，在更多跨学科领域发挥重要作用。

课题组介绍

侯旭教授课题组主页：https://xuhougroup.xmu.edu.cn/

（研究方向：仿生智能材料、液体门控技术、膜科学与技术）

吕伟峰课题组主页：https://people.ucas.ac.cn/~0067610

（研究方向：油气田开发、CCUS）

原文信息

Z.Zhou,J.Lei,Z.Zhang,Y.Chen,Q.Zhang,G.Li,S.Yu,L.Han,X.Zhou,Y.Fan,N.Jia, B.Zhang,W.Lv & X.Hou. Antigravity confined interfacial self-assembly approach for the synthesis and characterization of nanofilms. Nat. Commun.(2026).