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科學家發現常溫下的水會疏水

最近,中國科學院上海應用物理研究所研究員方海平與其博士生王春雷等,通過理論分析水的特性,發現常溫下的液態水在一個特定的表面上可以不親水,即這層常溫的水層是疏水的。研究人員運用分子動力學模擬發現水滴在一層單分子水層上的穩定存在。相關研究結果近日發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。

親水和疏水是表面的一個重要特性,涉及物理、化學和生命的許多重要過程。常溫下,固體表面的水層是親水的。在低溫下,固體表面吸附的一層水具有類似冰的結構,由於冰的表面是疏水的,所以這層水表現出了疏水特性。但這僅僅發生在低溫下,一般認為,常溫下固體表面的水層仍然是親水的。

專家解釋說,導致這種奇異的「常溫下疏水的水層」的關鍵機制是,固體表面的特殊電荷排布,使得吸附在固體表面的單層水表現出特定的有序行為。這種特定的有序使得該單層水的水分子之間的氫鍵數目大大增加,從而使該單層水與其上的水之間的氫鍵成鍵概率降到很低,進而顯著減少該單層水與上面水分子的相互吸引作用。這種相互作用的減小造成該單層水上面的水聚成液滴,表現出該單層水的疏水特性。分子動力學模擬表明,隨著表面上特殊電荷的電量增加,在一定範圍內,液滴的接觸角隨著表面極性的增強而逐漸增大,表現出越來越疏水的表觀特性。

目前,水的問題,特別是水界面的問題日益受到關注。本項研究的表面具有非常特殊的性質,既排斥親水基團(由於第一層水分子的疏水特性)又不吸附疏水基團(由於固體表面的親水特性)的特性,因此該表面具有一種特殊的抗污染功能,這對污水處理、海水淨化、植入人體器官和船舶表面的抗污都非常重要。

該項研究工作由上海應用物理所和復旦大學的研究人員合作完成,得到了中國科學院、國家自然科學基金委、科技部和上海市人民政府(通過上海超級計算中心)的共同資助。
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