上海应物所发现带有极性基团的表面也有疏水特性

　　表面的亲疏水性质在蛋白质折叠、两亲分子的自组装、微流动技术、分子的识别检测技术和自清洁表面材料的制备等多个学科领域及应用技术研究中都起着关键的作用。对表面的亲疏水性质的误判，会导致对表面和表面附近物质的相互作用的错误理解，进而影响对整个系统的物理分析和相应的实验、应用设计。

　　由于水分子是极性分子，所以带有极性基团的分子对水有很强的亲和力，可以吸引水分子并且易溶于水。因此一般认为，这类带有极性基团的分子形成的固体材料的表面容易被水润湿，是亲水表面。目前在实验和实际应用中，一般人们就通过在表面修饰极性基团的手段从而使得表面变亲水。

　　事实果真如此吗？最近，中国科学院上海应用物理研究所水科学和技术研究室的王春雷博士和方海平研究员等通过理论分析发现，固体表面的亲水和疏水特性（浸润性）还明显依赖于表面上极性分子的偶极长度。通过理论模型和分子动力学模拟证明，偶极长度存在一个临界值，当表面上极性分子的偶极长度小于此临界长度时，无论极性分子的偶极矩有多大，水分子仍无法“感受”到固体表面偶极的存在，从而使带有极性基团的表面也有疏水特性；当偶极长度大于此临界长度时，随着偶极矩和偶极长度增大，固体表面会变得越来越亲水。相关研究结果发表在国际学术期刊Scientific Reports (2012, 2, 358)上。

　　为什么会这样呢？当一个带有极性基团的分子在水中，其正、负极性基团分别被水中的氧和氢原子所吸引（水中的氧和氢原子分别带有负、正电），或者形成氢键，会导致这个分子与水分子产生强大的亲和力。当这些分子形成固体材料的表面时，如果分子小，偶极长度短，水分子之间的空间位阻效应（拥挤效应）不能保证水分子中的氢原子被吸引到表面上的负电荷，同时氧原子被吸引到正电荷（如图的下半部分）。这导致整体表面的电偶极与水之间的相互作用较弱，表现出“意外的”疏水特性。当偶极长度增大，空间位阻效应减弱，更多的水分子中的氢原子（或氧原子）被吸引到与表面上的负（或正）电荷很近的距离，界面变得更亲水。分子动力学模拟还证实该临界偶极长度的存在具有普适性，即很多类型的极性表面上均存在这样的临界偶极长度。

　　在此以前，该研究组曾在2009年提出，当固体表面的电偶极排布合适，使得吸附在表面的第一层水表现出有序，可以导致第一层水上面出现（只有不完全亲水表面才有的）水滴，该表面呈现“表观的疏水” (Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 137801; J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 3018)。这一理论预言已得到澳大利亚课题组的实验证实(Soft Matter, 2011, 7, 5309; Langmuir, 2011, 27, 10753)。这些工作说明了有极性基团的表面也可以表现出疏水或者“表观的疏水”性质，并有助于描绘表面的亲疏水性质与极性基团之关联的完整图像。

　　该项研究工作由上海应物所、上海大学、四川大学和浙江大学的研究人员合作完成，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、中国博士后科学基金会、上海市科学技术委员会和上海市人民政府（通过上海超级计算中心）的共同资助。

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　　上图：水中的氧原子（桔黄色哭脸）和氢原子（黄色小球）分别被表面上正、负极性基团所吸引，空间位置受到约束。当表面上正、负极性基团的距离比较小时，表面附近的水分子会非常拥挤，导致不稳定。下图：表面附件的水分子间距离增大后，系统达到稳定。但不能保证水分子中的氢原子（黄色小球）被吸引到表面上的负电荷，同时氧原子（绿色笑脸）被吸引到正电荷，使水分子感受不到表面电荷的吸引力，从而使固体表面表现出疏水特性。