表面的親疏水性質(zhì)在蛋白質(zhì)折疊、兩親分子的自組裝、微流動技術(shù)、分子的識別檢測技術(shù)和自清潔表面材料的制備等多個學(xué)科領(lǐng)域及應(yīng)用技術(shù)研究中都起著關(guān)鍵的作用。對表面的親疏水性質(zhì)的誤判，會導(dǎo)致對表面和表面附近物質(zhì)的相互作用的錯誤理解，進(jìn)而影響對整個系統(tǒng)的物理分析和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用設(shè)計(jì)。
由于水分子是極性分子，所以帶有極性基團(tuán)的分子對水有很強(qiáng)的親和力，可以吸引水分子并且易溶于水。因此一般認(rèn)為，這類帶有極性基團(tuán)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(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，一般人們就通過在表面修飾極性基團(tuán)的手段從而使得表面變親水。
事實(shí)果真如此嗎？zui近，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所水科學(xué)和技術(shù)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(xué)模擬證明，偶極長度存在一個臨界值，當(dāng)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(tuán)的表面也有疏水特性；當(dāng)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(guān)研究結(jié)果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Scientific Reports (2012, 2, 358)上。
為什么會這樣呢？當(dāng)一個帶有極性基團(tuán)的分子在水中，其正、負(fù)極性基團(tuán)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(fù)、正電），或者形成氫鍵，會導(dǎo)致這個分子與水分子產(chǎn)生強(qiáng)大的親和力。當(dāng)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(yīng)（擁擠效應(yīng)）不能保證水分子中的氫原子被吸引到表面上的負(fù)電荷，同時氧原子被吸引到正電荷（如圖的下半部分）。這導(dǎo)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(dāng)偶極長度增大，空間位阻效應(yīng)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(fù)（或正）電荷很近的距離，界面變得更親水。分子動力學(xué)模擬還證實(shí)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(dāng)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(dǎo)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(yù)言已得到澳大利亞課題組的實(shí)驗(yàn)證實(shí)(Soft Matter, 2011, 7, 5309; Langmuir, 2011, 27, 10753)。這些工作說明了有極性基團(tuán)的表面也可以表現(xiàn)出疏水或者“表觀的疏水”性質(zhì)，并有助于描繪表面的親疏水性質(zhì)與極性基團(tuán)之關(guān)聯(lián)的完整圖像。
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