说明：奥斯瓦尔德熟化是亚稳态分散体系（如过饱和溶液、乳液、固溶体等）中普遍存在的热力学驱动现象，本文华算科技梳理了奥斯瓦尔德熟化的定义、吉布斯-汤姆逊方程及液固-液液-气固三类体系与颗粒尺寸差异、界面张力、温度、连续相性质、体系浓度五大影响因素。
奥斯瓦尔德熟化（Ostwald Ripening）是 1896 年由德国化学家威廉・奥斯特瓦尔德发现的现象。指在过饱和溶液、固溶体、乳液等分散体系中，尺寸较小的分散相颗粒（或液滴、晶粒）逐渐溶解，溶质原子（或分子）通过连续相扩散并沉积在尺寸较大的颗粒表面，最终导致小颗粒消失、大颗粒进一步长大的过程。
奥斯瓦尔德熟化的本质是降低体系总表面自由能，最终实现粒子尺寸重新分布，即小粒子逐渐消失，大粒子主导体系，使体系趋向更稳定的热力学状态。
奥斯瓦尔德熟化过程不依赖外部能量输入，仅由粒子表面能差异驱动，是材料制备、食品加工、医药制剂等领域中粒子尺寸调控的核心物理化学机制。
（a）奥斯瓦尔德熟化过程示意图。10.1002/anie.202414420
奥斯瓦尔德熟化的本质是体系总表面能降低的自发过程，遵循 “能量最低原理”。为降低体系整体自由度，小颗粒溶解形成的溶质分子会向大颗粒迁移并结晶，最终实现体系能量的最小化，同时伴随材料结构的演变（如形成中空、核壳结构）。
奥斯瓦尔德熟化的驱动力源于“粒子尺寸-溶解度”的定量关系，核心描述方程为吉布斯-汤姆逊方程（Gibbs-Thomson Equation），该公式直接解释了小粒子优先溶解的热力学根源：
其中，c(r)：半径为r的小粒子在介质中的平衡溶解度）；c0：半径趋近于无穷大的大粒子在同一介质中的平衡溶解度；γ：粒子与分散介质间的固液（或液液）界面张力；M：粒子对应物质的摩尔质量；ρ：粒子的密度）；R：理想气体常数8.314 J/(mol·K)；T：体系的绝对温度；r：粒子的半径。
物理意义：该公式明确了“粒子尺寸越小，溶解度越高”的定量规律。当r减小时，指数项数值增大，c(r)显著高于c0，导致小粒子周围介质中溶质浓度高于大粒子周围。
这种浓度梯度成为溶质分子扩散的驱动力，小粒子溶解产生的溶质分子会自发向大粒子表面扩散，并在大粒子表面沉积，最终实现小粒子“消失”、大粒子“长大”的熟化过程。
多孔材料从初始纳米孔到多尺度孔隙-空腔结构的演变过程。10.1021/acsnano.4c08708
液固体系熟化的分散介质为液体，粒子为固体（如纳米金属颗粒悬浮液、多孔材料前驱体悬浮液），是最常见的熟化类型。液固体系熟化的速率受介质黏度、温度影响显著，黏度越低、温度越高，溶质扩散越快，熟化速率越快。
例如，纳米二氧化硅悬浮液中，5 nm 的小颗粒因溶解度高而溶解，硅氧烷分子扩散到 50 nm 的大颗粒表面，使大颗粒尺寸逐渐增至 80-100 nm，体系最终形成单分散性较好的大颗粒悬浮液。
上图为CuHCF的电化学性能，在这个研究中利用六氰基铁酸铜（CuHCF）正极材料的Cu、Fe离子溶解，在电化学循环过程中经历奥斯瓦尔德熟化过程，改善电极材料、电极/电解液界面，实现百万次循环寿命的水合氢离子电池。
液液体系熟化中分散介质为液体，粒子为另一不相溶的液体，熟化过程表现为小液滴溶解、大液滴长大。液液体系熟化可通过添加乳化剂（如卵磷脂）降低液液界面张力γ，减缓熟化速率。
例如，奶油中的小脂肪液滴会逐渐溶解到水相，脂肪分子扩散到较大液滴表面，导致奶油分层、口感变差。
气固体系熟化中分散介质为气体，粒子为固体（如气溶胶、粉末体系），熟化过程依赖固体粒子在气体中的升华与凝华。气固体系熟化速率较慢，主要受环境温度和气压影响。
例如，金属氧化物气溶胶中，小颗粒（直径 500 nm）表面凝华，使大颗粒尺寸进一步增大。
月壤孔隙内，水冰颗粒群通过升华-沉积过程进行奥斯特瓦尔德熟化。Ostwald ripening of water-ice particles in lunar regolith pore space[J]. Journal of Space Science and Experiment, 2025, 2(3)：11-18.
初始体系中颗粒尺寸分布的宽窄的是影响熟化速率的核心因素之一。当颗粒尺寸分布较宽时，小颗粒与大颗粒之间的比表面积差值、表面能差值会显著增大，进而导致两者的溶解度差异被放大，形成更强的浓度梯度。
这种高梯度的浓度差会极大地提升溶质分子的扩散动力，让小颗粒溶解产生的溶质能更快地向大颗粒迁移并沉积。
如下图a、b中制备Au@Cu₂O蛋黄壳结构的实验所示，初始Au纳米核周围的Cu₂O聚合物颗粒尺寸不均，小尺寸的Cu₂O聚合物因高表面能快速溶解，而大尺寸颗粒则持续捕获扩散过来的溶质，最终加速了蛋黄壳结构的形成，这一过程充分体现了尺寸差异对熟化进程的推动作用。
分散相与连续相之间的界面张力直接决定了熟化的热力学驱动力大小。界面张力越高，小颗粒表面原子的不稳定性越强，其溶解趋势就越明显，同时小颗粒与大颗粒之间的能量差也会越大，体系向低能量状态转变的动力就越足。
如下图c、d中关于CTAB/硅酸盐胶束与预沉积SiO₂层相互作用的实验所示，当CTAB/硅酸盐胶束的组成与预沉积SiO₂层相似时，总表面能差值Δσ接近零，此时胶束与SiO₂表面的相互作用达到最大化，奥斯瓦尔德熟化的速率明显降低，这一现象直接印证了界面张力对熟化过程的调控机制。
温度通过影响溶质的扩散系数和溶解度，对奥斯瓦尔德熟化产生显著的加速作用。温度升高时，分子热运动加剧，一方面会提高溶质在连续相中的扩散系数，降低溶质迁移的阻力，让小颗粒溶解的溶质能更快地扩散至大颗粒表面；另一方面，温度升高会扩大中小颗粒与大颗粒的溶解度差异，进一步强化浓度梯度的驱动效果。
例如在制备多孔单晶TiO₂的实验中，900-1100℃的高温处理环境下，奥斯瓦尔德熟化与原子扩散、晶格重排过程协同作用，小晶粒因高表面能快速溶解，溶质原子通过扩散重新沉积到较大晶粒上，显著加快了多孔单晶的形成与长大，使材料获得更优异的晶体结构与性能。
描述材料在低温TL与高温TH之间的循环过程。DOI:10.1021/acs.cgd.8b00267
连续相的黏度和与分散相的相容性是影响熟化速率的重要外部因素。连续相的黏度越低，溶质分子在其中移动时受到的摩擦阻力越小，扩散效率越高，熟化过程就能更高效地进行；而连续相与分散相的相容性则决定了溶质的溶解能力和扩散路径，当相容性适中时，溶质既能在连续相中保持一定的溶解度，又能形成稳定的浓度梯度，为熟化提供持续的动力。
如下图d中通过奥斯瓦尔德熟化实现界面转变的实验所示，选择低黏度的溶剂作为连续相时，原子扩散过程更顺畅，能够快速完成界面重组，进而形成多空腔结构的多孔材料；若连续相黏度过高，溶质扩散受阻，熟化速率会明显下降，甚至无法形成目标结构。
体系的过饱和度直接决定了奥斯瓦尔德熟化的动力供给强度。过饱和度越高，意味着体系中可参与迁移的溶质分子数量越充足，小颗粒溶解后能快速补充到连续相中，维持高浓度梯度，为大颗粒的持续生长提供充足的“原料”。
在MOF材料的制备过程中，高过饱和度的反应体系下，奥斯瓦尔德熟化的优势尤为明显：小尺寸的MOF晶粒因高表面能快速溶解，释放出金属离子与有机配体，这些溶质在浓度梯度驱动下扩散至较大晶粒表面沉积，不仅加快了目标结构的成型时间，还能通过调控熟化程度，优化MOF材料的孔隙结构与比表面积，提升其催化、吸附等性能。
奥斯特瓦尔德熟化介导的ZrMOF在单个纳米晶体上的嫁接。DOI：10.1021/jacs.9b01563
奥斯瓦尔德熟化的关键影响因素包括颗粒尺寸分布、界面张力、温度、连续相性质及体系过饱和度，它们共同调控熟化速率与效果，是材料结构优化的核心调控靶点。 利用奥斯瓦尔德熟化技术，可精准构建蛋黄壳、中空等多孔结构，优化催化活性位点与传质效率，缓解能源存储电极体积膨胀，助力生物医学可控药物载体研发。
🏅 华算科技提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。
🎯500+博士团队护航，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
