实验室李志远教授团队：基于光纤微型传感探针的液-液扩散研究

作为一个古老的科学问题，液-液扩散至今没有完善的理论。水-氯化钠和乙醇-水体系作为两个具有代表性的扩散体系，对它们的研究将有助于深化对氯化钠-水和乙醇-水微观结构的认知。然而，目前对它们的测量方法均存在空间分辨率低的局限，无法准确研究扩散过程。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的李志远教授课题组利用自制的光纤等离激元微型传感探针，以高空间分辨率实现了对水-氯化钠和乙醇-水体系的非菲克扩散过程的研究，有望拓展光纤传感领域的应用。

使用微型传感探针以15.3 μm的空间分辨率和3 min的时间间隔对水-氯化钠溶液扩散过程进行原位监测。实验结果表明在水-氯化钠溶液扩散过程中，扩散系数为常数，但是扩散层中心往水一侧移动，这是不满足传统菲克扩散定律的。通过在菲克定律中引入等效表面张力，建立了一个非菲克扩散模型，准确解释了实验中观察到的非菲克扩散现象。这一成果丰富了液-液扩散理论，揭示了液体中离子引起的相互作用可以导致异常扩散行为。

使用微型传感探针以15.3 μm的空间分辨率和5 min的时间间隔对乙醇溶液-水扩散过程进行原位监测。实验结果表明乙醇-水体系存在奇异扩散行为：扩散过程有效扩散系数逐渐减小且扩散层中心呈现三段式移动，这严重违背了传统菲克扩散定律。实验中还观察到扩散过程伴随着乙醇分子的自组装现象，其阻碍了乙醇分子和水分子的扩散。结合分子自组装、过剩体积以及界面张力效应，准确解释了实验中观察到的奇异扩散现象。这一成果丰富了液-液扩散理论，揭示了复杂微观物理化学相互作用会显著影响宏观扩散行为，为理解乙醇-水混合物的分子结构提供了更深入的见解和新的思考角度。

这两项成果都展示自制的光纤微型传感探针在液-液扩散研究中的实用性和强大能力，有望拓展其应用于重要系统中传质过程及其他物理化学过程的研究。

相关研究成果以“In SituMonitoring of Water−Sodium Chloride Diffusion via a Fiber-IntegratedPlasmonic Microsensor”和“Exotic Ethanol−Water Diffusion Mediated by Molecular Self-Assembly”为题发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上，其中通讯作者为李志远教授，第一作者为黄容涛博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金（12434016）、广东省科技专项（2020B010190001）等科研项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c01634

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c03413