常温下不完全浸润的有序单层水和分子尺度亲水性-上海应用物理.PDF

中国科学: 物理学 力学 天文学 2016 年 第46 卷 第5 期: 057008 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 评 述 水的微观性质理论研究专题 常温下“不完全浸润的有序单层水”和分子尺度 亲水性 * 王春雷 , 方海平 中国科学院上海应用物理研究所, 中国科学院微观界面物理与探测重点实验室, 水科学与技术研究室, 上海 201800 *联系人, E-mail: wangchunlei@ 收稿日期: 2015-12-01; 接受日期: 2016-02-03 国家自然科学基金(批准号:、中国科学院知识创新工程重要方向项目(编号: KJZD-EW-M03)、中国科学院青年科学 促进会、上海超级计算中心和中国科学院计算机网络信息中心资助项目 摘要 传统的亲疏水理论认为, 表面的亲疏水性质在宏观和微观是一致的. 本文回顾了常温下宏观与微观表 现不一致的一种浸润现象: “不完全浸润的有序单层水”, 即宏观上有水滴的疏水表面上, 微观分子尺度上反而存 在亲水表面才有的致密单分子厚度的水层, 体现疏水表面的液滴和体现亲水表面的致密单分子水层共存于一个 表面上, 导致分子尺度亲水性现象. 近几年来, 人们通过数值模拟和实验发现, 许多真实材料表面也存在类似现 象, 显示这种表面浸润现象可能广泛存在. 在应用方面, 这种有序水可以明显的减小亲水界面上的阻尼, 这对过 滤膜、植入人体器官和船舶表面减阻应用都有重要意义. 关键词 亲疏水, 常温, 不完全浸润的有序单层水, 分子尺度亲水性, 亲水表面减阻 PACS: 61.20.Ja, 61.30.Hn, 68.08.Bc, 46.55.+d 1 引言 接触角的大小作为评判标准, 水对固体表面的浸润 性 可 以 简 单 的 分 为 超 亲 水 性 (θ=0°), 亲 水 性 固液界面上水的性质对于理解自然界中的许多 (0°θ90°), 疏 水 性 (90°θ150°), 超 疏 水 性 过程都有着基础性作用, 包括分子在表面的铺展行 (150°θ180°). 为[1–5] 、吸附/黏附行为[6–15] 、电化学反应的效率[16,17] 、 近几十年来, 随着计算机模拟技术和实验技术的 双亲分子自组装[18–22] 以及生物大分子的动力学[23,24] 发展, 人们能够观察原子级别的水结构图像[5,10,30–33]. 行为等. 宏观下, 当水接触固体表面时会发生浸润现 特别的, 人们发现在微观受限环境下或当固体表面 象[25–29], 水将或者完全平铺开来, 或者形成一个与固 与水之间的相互作用较强时, 水分子会受限在固体 体表面有一定接触角的液滴. 接触角的大小依赖于 表面, 并重新自组装自身的氢键网络和结构, 从而在 气液固三相的表面张力的大小, 从0°到 180°变化. 以 固体表面, 例如在金属表面、云母表面和二氧化硅表 引用格式: 王春雷, 方海平. 常温下“不完全浸润的有序单层水”和分子尺度亲水性. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2016, 46: 057008 Wang C L, Fang H P. “Ordered water monolayer that does not completely wet water” at ro