表面的親疏水性質在蛋白質折疊、兩親分子的自組裝、微流動技術、分子的識別檢測技術和自清潔表面材料的制備等多個學科領域及應用技術研究中都起著關鍵的作用。對表面的親疏水性質的誤判，會導致對表面和表面附近物質的相互作用的錯誤理解，進而影響對整個系統(tǒng)的物理分析和相應的實驗、應用設計。
由于水分子是極性分子，所以帶有極性基團的分子對水有很強的親和力，可以吸引水分子并且易溶于水。因此一般認為，這類帶有極性基團的分子形成的固體材料的表面容易被水潤濕，是親水表面。目前在實驗和實際應用中，一般人們就通過在表面修飾極性基團的手段從而使得表面變親水。
事實果真如此嗎？zui近，中國科學院上海應用物理研究所水科學和技術研究室的王春雷博士和方海平研究員等通過理論分析發(fā)現(xiàn)，固體表面的親水和疏水特性（浸潤性）還明顯依賴于表面上極性分子的偶極長度。通過理論模型和分子動力學模擬證明，偶極長度存在一個臨界值，當表面上極性分子的偶極長度小于此臨界長度時，無論極性分子的偶極矩有多大，水分子仍無法“感受”到固體表面偶極的存在，從而使帶有極性基團的表面也有疏水特性；當偶極長度大于此臨界長度時，隨著偶極矩和偶極長度增大，固體表面會變得越來越親水。相關研究結果發(fā)表在學術期刊Scientific Reports (2012, 2, 358)上。
為什么會這樣呢？當一個帶有極性基團的分子在水中，其正、負極性基團分別被水中的氧和氫原子所吸引（水中的氧和氫原子分別帶有負、正電），或者形成氫鍵，會導致這個分子與水分子產生強大的親和力。當這些分子形成固體材料的表面時，如果分子小，偶極長度短，水分子之間的空間位阻效應（擁擠效應）不能保證水分子中的氫原子被吸引到表面上的負電荷，同時氧原子被吸引到正電荷（如圖的下半部分）。這導致整體表面的電偶極與水之間的相互作用較弱，表現(xiàn)出“意外的”疏水特性。當偶極長度增大，空間位阻效應減弱，更多的水分子中的氫原子（或氧原子）被吸引到與表面上的負（或正）電荷很近的距離，界面變得更親水。分子動力學模擬還證實該臨界偶極長度的存在具有普適性，即很多類型的極性表面上均存在這樣的臨界偶極長度。
在此以前，該研究組曾在2009年提出，當固體表面的電偶極排布合適，使得吸附在表面的*層水表現(xiàn)出有序，可以導致*層水上面出現(xiàn)（只有不*親水表面才有的）水滴，該表面呈現(xiàn)“表觀的疏水” (Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 137801; J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 3018)。這一理論預言已得到澳大利亞課題組的實驗證實(Soft Matter, 2011, 7, 5309; Langmuir, 2011, 27, 10753)。這些工作說明了有極性基團的表面也可以表現(xiàn)出疏水或者“表觀的疏水”性質，并有助于描繪表面的親疏水性質與極性基團之關聯(lián)的完整圖像。
在線客服
