固液表面“贴贴”的方式，可能跟我们想的不太一样？中科院科学家重新定义液体润湿性
2022/4/19 14:30:00 我是科学家iScientist
中科院研究人员最近的一项研究从分子间作用力的角度重新定义了液体与固体表面保持接触的方式，这种性质也被称为液体的润湿性。
研究结果2月8日发表在《纳米研究》杂志上。
网站截图
润湿性与材料的设计有关，因为它决定了层与层之间如何粘合在一起。来自中国科学院仿生材料与界面科学重点实验室的文章作者田野教授表示：“润湿性在许多领域起着关键作用，如催化反应的效率、分离、电极材料和仿生智能材料的设计。”例如，根据湿度改变接触面积的智能层可以用于运动服，以适应环境湿度。
润湿性的模型
高润湿性的液滴会在固体表面铺展开，与表面的接触角较小，而低润湿性的液体抗拒扩散。在经典方法中，润湿性(用接触角表示)由杨氏方程描述，接触的是理想的、完全光滑的表面。如果液滴铺展后与表面的接触角小于90度，表面就被定义为亲水性或亲水性。如果水滴的接触角高于90度，表面则被归类为疏水性。
接触角示意图 | 参考资料[3]
然而，杨氏模型在解释观察到的液体与固体表面接触的行为方面有局限性。例如，它不能解释为什么表面变粗糙后液体的接触角会变大，这一现象后来在Wenzel和Cassie的模型中得到描述。研究作者进一步从分子水平研究了浸没在纯液体中的固体表面之间的相互作用，以便更好地理解固有润湿阈值(IWTs)是如何形成的。田教授表示：“一系列的研究已经发现，在水中，极性表面之间可以存在疏水吸引力，而极性表面之间可以存在亲水排斥力，也就是说，固有阈值曲线应该依赖于分子间作用力。”
固有润湿阈值
研究人员用不同液体中与由单分子厚层(自组装单分子膜，SAW)组成的固体的相互作用，以此来观察润湿性如何影响它们的吸引力或排斥力。他们选择了水、乙二醇、二甲基亚砜和 -N,N-二甲基甲酰胺作为测试液体来表征表面张力。借助原子力显微镜，他们测量了每种液体中自组装单分子膜的粘附力曲线。他们使用接触角系统——一种测量液滴形状和固体接触角的装置——确定了每种液体1微升液滴的接触角的数值。
原子力显微镜测量粘附力 | 参考资料[1]
结果表明，纯水的固有润湿阈值在与固体的接触角达到65°时出现，而不是杨氏方程所预测的90°。换句话说，65°是亲水和疏水行为之间的临界点，这与阈值两侧水的氢键网络的差异有关。此外，他们还发现，接触角在65 °左右的转变过程中，水层和单分子膜之间的粘附力存在差异。田教授解释说：“从对称自组装单分子膜之间相互作用力的角度来看，我们证实了纯水的接触角约为65 °。”
纯水的表面张力和固有润湿阈值的关系 | 参考资料[1]
其他有机液体缺乏氢键，但固有润湿阈值仍然是通过观察粘附力随接触角的变化而测量的。研究结果提供了“一条新的固有润湿阈值曲线，与杨氏方程所定义的值不同，可用于预测已知表面张力的纯液体的固有润湿阈值”。
进一步研究
研究人员计划继续在分子水平上研究润湿的机理，这一性质在功能材料设计中有重要的应用。在重新定义了与杨氏方程相关的固有润湿阈值后，田野教授表示，他们希望“提供一个新的视角来理解润湿性和分子间作用力之间的关系。”
参考文献
[1] Li Y , He S , Xu Z , et al. Investigation on the intrinsic wetting thresholds of liquids by measuring the interaction forces of self-assembled monolayers[J]. Nano Research
[2] https://phys.org/news/2022-04-reveals-intermolecular-smart-materials.html
[3] https://www.brighton-science.com/blog/leveraging-the-variability-in-contact-angle-measurements-to-improve-surface-quality-and-process-control
编译：矩阵星
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：Wikimedia Commons，Brocken Inaglory / CC BY-SA 3.0(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.zh)
研究团队
通讯作者 田野：中国科学院理化技术研究所研究员。2011年7月毕业于中国科学院化学研究所，获物理化学博士学位，师从江雷院士。2011年7月加入中国科学院化学研究所。2018年7月加入中国科学院理化技术研究所。目前的研究领域是具有纳米通道结构的仿生超浸润纳米材料，尤其是超双亲纳米材料的制备及应用研究。共发表SCI论文50余篇，包括Nat. Mater. 1篇，Nat. Commun. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇，Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，Adv. Mater. 2篇。2016年入选中国科学院青年创新促进会会员，2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助。
论文信息
发布期刊 《纳米研究》 Nano Research
发布时间 2022年2月8日
论文标题Investigation on the intrinsic wetting thresholds of liquids by measuring the interaction forces of self-assembled monolayers
(DOI：10.1007/s12274-022-4094-z)
文章领域 液体，纳米材料，自组装
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源网页 http://weixin.100md.com
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