全氟碳化合物因具有優異生物相容性，在生物醫學和工業領域應用價值顯著。其中，低沸點全氟碳(PFCs)微液滴在生理條件下穩定，可在能量刺激下實現液滴-氣泡快速相變，不僅為腫瘤靶向超聲成像與藥物遞送提供新思路，也是研究微尺度相變的理想模型體系。然而，傳統技術難以實現多尺度、多相態、納米級分辨的原位觀測。同步輻射軟X射線譜學顯微技術的發展為此提供了全新解決方案。
 

　　近日，中國科學院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)納米氣泡研究團隊聯合上海應用物理研究所，創新性利用同步輻射軟X射線譜學顯微技術，成功誘導單個亞微米級全氟己烷(PFH)液滴發生內部相變，并實現相變后納米氣泡生長演化的高分辨率原位觀測。研究成果以"In Situ Observation of Soft X-ray-Triggered Nanoscale Phase Transitions in Perfluorocarbon Microdroplets"為題發表在《膠體界面化學雜志》(Journal of Colloid and Interface Science)。
 

　　本研究團隊前期研究已經對PFH納米液滴的可控制備進行了研究，成功制備了高濃度、約100 nm的液滴(Soft Matter 2022, 18, 425)。隨后進一步系統研究了PFH微液滴在不同鹽和pH下的穩定性(Langmuir 2024, 40, 9108)。上述結果為PFH微納米液滴相變研究奠定了重要基礎。研究依托上海光源BL08U1A線站的掃描透射軟X射線顯微鏡(STXM)，充分發揮其高達30 nm的空間分辨能力與氟元素近邊吸收譜分析優勢。通過超聲制備不同尺寸PFH微液滴，利用X射線原位誘導相變，系統揭示了單個PFH微液滴內納米氣泡的成核生長規律：納米氣泡優先在液滴中心成核，呈現"成核-聚集-穩定-二次成核"的獨特動力學過程；不同尺寸液滴(10 μm/6 μm/3 μm)分別呈現"S形"、"指數形"、"線性"生長模式；氣液界面處的納米氣泡密度較本體區域高數十倍，證實界面在相變中的關鍵作用；液滴變形存在尺寸效應：>1 μm液滴表現為膨脹/塌陷，<1 μm液滴則發生整體相變。
 

　　圖1. 軟X射線誘導全氟己烷(PFH)微滴相變原位觀測示意圖。 (a)-(b) 通過超聲產生PFH微液滴。 (c) PFH微液滴溶液通過真空脂密封在兩個Si?N?窗口之間。 (d) 同步輻射軟X射線誘導PFH微液滴中產生PFH納米氣泡，并實現原位觀測。 (ZP: 波帶片; OSA: 級選光闌)。
 

　　圖2. PFH液滴的特征和相變。 (a) STXM圖像顯示了50 × 50 μm2區域內PFH液滴的尺寸分布。 (b) STXM圖像在629 eV下捕捉到PFH液滴的部分相變，范圍為100 × 100 μm2。 (c) 相變前PFH液滴的STXM圖像，掃描范圍為25 × 25 μm2。 (d) 通過堆棧掃描進行元素分布分析。 (e) 相變后PFH液滴的STXM圖像。 (f) PFH液滴在氟K邊附近的NEXAFS光譜，顯示出特征吸收。
 

　　圖3. 在689 eV下的原位STXM圖像顯示了PFH納米氣泡的形成，隨著時間推移PFH微滴和納米氣泡的尺寸變化。掃描區域：40 × 40 μm2。
 

　　論文第一作者為中國科學院上海應用物理研究所季玉雯博士(現巴黎高等物理化工學院博后)、中國科學院上海應用物理研究所王耀博士生為共同第一作者，通訊作者為上海高研院光源科學中心的張立娟研究員和上海應用物理研究所的張益研究員。本研究獲國家重點研發計劃、國家自然科學基金資助。