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物理所揭示表面浸润的微观机制
  文章来源:物理研究所 发布时间:2013-04-18 【字号: 小  中  大   

水的浸润现象在物理、生物、化学、工业等各个领域都发挥着重要作用,比如人工降雨、蛋白质折叠等。浸润一般发生在固体表面,理解浸润性质与界面结构之间的关系是理解表面浸润的关键。近期理论和实验工作均表明,在室温下“水层可以是疏水的”,但是这种奇异现象无法用传统的杨氏方程解释。上世纪五十年代,人们用晶格匹配的材料作晶核促进人工降雨,但此后一系列实验似乎显示表面晶格对冰成核无显著影响。直到今天,固体表面与冰的Ih相晶格常数匹配时是否有助于水的浸润和成核仍有争议。此外,固体晶格影响界面水层结构,水界面层结构与液滴整体浸润性之间关系的微观图像仍然欠缺。

近期,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理国家重点实验室孟胜研究员等用经典分子动力学模拟方法系统地研究了水在不同晶格常数的固体fcc(111)表面的浸润性质(图1a)。他们发现对疏水表面水平拉伸±3%时,水在表面的浸润性变化很小。而对亲水表面拉伸±3%时,水在界面的浸润角会有非常大的变化。特别地,浸润角并不是随着表面晶格常数单调变化,而是在表面晶格常数与体相水的O—O距离在界面的投影相等时,水滴浸润角最小(图1b)。进一步分析界面水层的结构发现,当表面晶格常数与体相水的O—O距离的界面投影相等时,界面致密水层的微观结构会被破坏,从而更接近体相水的特征(图2、图3)。而在疏水表面,表面晶格基本不改变界面水层的结构。该工作证明了表面晶格常数、界面水的结构、表面浸润性三者密切相关,为以后进一步从微观上理解和调节材料表面的浸润性奠定了基础。相关结果发表在【Phys. Rev. Lett. 110, 126101 (2013)】上。

上述研究工作由博士生朱重钦、博士生黄永峰、李晖副研究员、内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授与孟胜研究员共同完成,得到了中科院水基础科学项目、国家自然科学基金委、科技部和中科院“百人计划”项目的支持。

图1 (a)上图:fcc晶体(111)面模型的几何构型。下图:水滴在模型衬底上的侧视图。(b)水滴在亲水和疏水表面上的接触角随晶格常数的变化。星号给出的是实验上测得的水在不同金属表面上的浸润角数据【J.Phys.Chem. 69, 1306(1965)】。

图2 不同晶格常数的亲水表面的水分子中氢氧原子数密度随着高度的变化。红线对应的是氢原子,黑线对应的是氧原子。图中数字是表面晶格常数。

图3 (a) 晶格常数等于2.72埃和(b)晶格常数等于2.80埃时的界面第一层水的截图。(c) 晶格常数等于2.72埃时第二层(体相)水的截图。下图放大了上图中的小框。模拟时间为2ns。

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