挑战传统认知，构建最“滑”液体表面

挑战传统认知，构建最“滑”液体表面

        当我们观察到雨滴在窗玻璃上滑落，或是在叶子表面凝结成一颗晶莹的水珠时，你是否曾想过水滴是如何在不同固体表面上移动的？为什么水滴在有些表面上（例如荷叶和不粘锅）的移动非常丝滑顺畅，而在有些表面（如普通的窗玻璃）上却似乎非常滞涩，甚至还可粘附不动？这其中的关键是水滴和界面的摩擦力。目前已经确定的液滴摩擦力有四种形式：接触线摩擦、粘性损耗、空气阻力和静电力。其中，接触线摩擦是液滴静摩擦的来源，其他力只在液滴开始运动时才会产生。

        通常认为，固体表面的异质性是接触线摩擦力增加的主要原因，然而近日，芬兰阿尔托大学Robin H. A. Ras课题组在Nature Chemistry 杂志上发表论文，对这一传统认知提出了挑战。他们通过调整自组装单分子层（SAM）的覆盖率，改变羟基修饰的SiO₂表面的亲疏水性。众所周知，SAM使固体表面具有类似液体的性质，就像水滴和表面之间的一层润滑剂。但是，与传统认知不同，在SAM覆盖率较低或较高时，水滴在表面受到的摩擦力都较小，只有当覆盖率位于这两种状态之间时，摩擦力最大，水滴才更容易附着在SAM层表面。研究者从分子级的化学异质性角度分析了该现象发生的原因，并利用这一机制创造了迄今最“滑”的表面。

        研究者设计了一种原子层沉积反应器，在羟基修饰的SiO₂表面生长辛基三氯硅烷（OTS）SAM。通过对OTS用量、温度、含水量等反应条件的准确控制，以及椭偏仪原位测试，实现了OTS的单分子层生长以及覆盖率的精确调控。

        SAM覆盖率（即面密度）取决于总的生长时间，根据实验数据和分子动力学模拟，可以分成3个明显不同的生长状态（下图h-k）：在低覆盖率（＜0.5分子/nm²）状态，OTS分子的烷基链倾向于平铺在表面上，平均倾斜角接近80°；在中覆盖率（0.5~2.9分子/nm²之间）状态，每个烷基链周围的自由空间更少，有些链位于其他链的顶部，平均倾斜角降低到50°；而在高覆盖率（＞2.9分子/nm²）状态，烷基链的空间很小，大多数被迫呈接近垂直取向，平均倾斜角低于10°。倾斜角度的逐渐减小增加了SAM的厚度，这与实际观察到的SAM表面的厚度很好地吻合。所有状态下，SAM表面都保持了基底表面的平滑度（下图d-g），这意味着实现了纳米尺度以上的均匀生长，没有聚集形成的证据，这意味着表面异质性仅存在于分子尺度上。

文章链接：Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale, Sakari Lepikko, Ygor Morais Jaques, Muhammad Junaid, Matilda Backholm, Jouko Lahtinen, Jaakko Julin, Ville Jokinen, Timo Sajavaara, Maria Sammalkorpi, Adam S. Foster & Robin H. A. Ras, Nat. Chem. 2023, DOI: 10.1038/s41557-023-01346-3.

本文来源链接：https://www.x-mol.com/news/872708