中国科学院研究人员最近的一项研究从分子间力的角度重新定义了液体如何保持与固体表面的接触——也称为润湿性。

该研究结果于 2 月 8 日发表在Nano Research上。

润湿性与材料的设计有关，因为它决定了层如何粘在一起。研究作者、仿生材料与界面科学重点实验室叶田教授说，它“在催化反应效率、分离、电极材料和仿生智能材料设计等多个领域发挥着至关重要的作用。 。” 例如，根据湿度改变接触的智能层可用于适应湿度的运动服。

润湿性模型

高润湿性意味着液滴扩散，与表面形成低接触角，而低润湿性描述液体抗扩散。典型地，润湿性(如接触角表示)是使用杨氏方程来表征的，该方程模拟了一个理想的、完全光滑的表面。如果水滴扩散到低于 90 度的接触角，则表面被归类为亲水或亲水。如果水滴的接触角高于 90 度，则该表面被归类为疏水表面。

然而，Young 的模型在解释观察到的液体与固体表面接触的行为方面存在局限性。例如，它无法解释为什么表面粗糙化后水接触角会增加，这在后来的 Wenzel 和 Cassie 模型中有所描述。该研究的作者进一步研究了在分子水平上浸入纯液体中的固体表面的相互作用，以更好地了解固有润湿阈值 (IWT) ——即液体扩散或成珠的点。田说：“一系列研究发现，水中的非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，也就是说，IWTs应该取决于分子间的作用力。”

三种液体在光滑和粗糙表面上的接触角 (ac);纯液体的表面张力与内部润湿阈值(d)之间的关系。学分：纳米研究

内在润湿阈值

研究人员在不同液体中试验了由单分子厚层(自组装单层或 SAM)组成的固体的相互作用，以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(EG)、二甲基亚砜(DMSA) 和 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 作为测试液体来代表一系列表面张力。使用原子力显微镜，他们测量了每种液体中 SAM 之间的粘附力的力曲线。使用接触角系统评估每种液体的 1 μL 液滴的接触角，接触角系统是一种测量分析液滴形状和与固体接触角的装置。

结果表明，对于水，固有润湿阈值 (IWT) 与固体的接触角为 65°，而不是 Young 方程预测的 90°。换句话说，65°是亲水和疏水行为之间的交界点，这与阈值两侧水的氢键网络的差异有关。此外，他们发现水层和硬表面 (SAM) 之间的粘附力存在差异，过渡时的接触角约为 65°。田解释说，“从对称 SAM 之间的相互作用力来看，我们确认纯水的 IWT 约为 65°。”

其他有机液体缺乏氢键，但仍然通过观察硬表面 (SAM) 之间的粘附力以及接触角的变化来获得 IWT。结果提供了“一条新的 IWT 曲线，与 Young 方程定义的值不同，可用于预先判断具有已知表面张力的纯液体的 IWT。”

下一步

鉴于在功能材料设计中的重要应用，研究人员计划继续在分子水平上研究润湿机制。在重新定义了相对于 Young 的历史方程的 IWT，他们期望“提供一个新的视角来理解润湿性和分子间力之间的关系，”Tian 预测。