2009-10-19 13:09 办公室
  亲水和疏水是表面的一个重要特性,涉及物理、化学和生命的许多重要过程。常温下,固体表面的水层是亲水的。在低温下,固体表面吸附的一层水具有类似冰的结构,由于冰的表面是疏水的,所以这层水表现出了疏水特性。但这仅仅发生在低温下,一般认为,常温下固体表面的水层仍然是亲水的。

  最近,中国科学院上海应用物理研究所方海平研究员与其博士生王春雷等,通过理论分析水的特性,发现常温下的液态水在一个特定的表面上可以不亲水,即这层常温的水层是疏水的。研究人员运用分子动力学模拟发现水滴在一层单分子水层上的稳定存在。相关研究结果发表于国际权威科学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 103,137801 (2009))。 

  导致这种奇异的“常温下疏水的水层”的关键机制是,固体表面的特殊电荷排布,使得吸附在固体表面的单层水表现出特定的有序行为。这种特定的有序使得该单层水的水分子之间的氢键数目大大增加,从而使该单层水与其上的水之间的氢键成键概率降到很低,进而显著减少该单层水与上面水分子的相互吸引作用。这种相互作用的减小造成该单层水上面的水聚成液滴,表现出该单层水的疏水特性。分子动力学模拟表明,随着表面上特殊电荷的电量增加,在一定范围内,液滴的接触角随着表面极性的增强而逐渐增大,表现出越来越疏水的表观特性。

  目前,水的问题,特别是水界面的问题成为一个日益受到关注的热点问题。本项研究的表面具有非常特殊的性质,既排斥亲水基团(由于第一层水分子的疏水特性)又不吸附疏水基团(由于固体表面的亲水特性)的特性,因此该表面具有一种特殊的抗污染功能,这对污水处理、海水净化、植入人体器官和船舶表面的抗污都非常重要。

  该项研究工作由上海应用物理所和复旦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、国家科技部和上海市人民政府(通过上海超级计算中心)的共同资助。

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底下绿色部分为固体表面,水分子(红色和白色球组成的,红色代表氧原子,白色代表氢原子)在单层水分子(仅用白色表示)上面形成水滴。