【提要: 常温下, 一般认为, 由于水分子之间会形成氢键, 所以水总是会完全浸润水. 2009年, 方海平等研究人员理论上预言了常温下“不完全浸润的有序单层水”的存在, 即单层水表面会出现液滴, 开始挑战这一经典图像. 近年来国内外许多研究组在数值模拟和实验观测中发现, 许多真实材料表面也存在这一现象. 相关进展的综述发表于《中国科学: 物理力学天文学》英文版2014年第5期. 】

在经典图像中, 由于水分子之间会形成氢键, 水总是会完全浸润水. 尽管人们已经发现极低温下固体表面吸附的一层冰不完全浸润冰, 但常温下水是否有类似现象仍然是个未解之谜. 众所周知, 常温下的液态水是地球上几乎所有生命赖以生存的基本物质, 具有无可比拟的重要意义. 那么, 常温下是否可能存在这种水不完全浸润水的现象呢？一般来说, 低温下的现象往往无法直接推广到常温下, 例如, 目前方兴未艾的超导现象或玻色-爱因斯坦凝聚现象仍只能在低温下才能实现. 而对常温下的水层, 热扰动往往会破坏水层的氢键网络, 导致水层内的水更容易与其他水形成氢键, 从而使得水层变的完全浸润. 2009年, 方海平研究员的课题组通过数值模拟发现, 在常温下, 极性表面的单层水上会出现一个液滴, 即单层水可以不完全浸润水(Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 137801), 从而挑战常温下水总是完全浸润水的经典图像. 该特殊浸润现象的机制在于, 有序水的结构减小了水单层中水分子和水单层上水分子形成氢键的概率, 从而使得水单层上的水分子聚集成水滴. 与之前研究认为有序单层水没有悬置-OH(即未形成氢键的-OH基团)的观点不同的是, 这种常温下的单层水中仍然有相当数量的悬置-OH存在. 最近, 方海平研究员的课题组总结了该现象的最新进展并讨论了这个现象的可能应用, 相关综述论文发表于《中国科学: 物理力学天文学》英文版2014年第5期, 题为《常温下“不完全浸润的有序单层水”的最新进展》.

   近年来, 人们通过数值模拟和实验的手段发现, 这种“单层水上的液滴”现象在许多真实材料表面上也存在, 如滑石表面、铂(100)表面、羟基化的三氧化二铝(Al₂O₃)表面、羟基化的二氧化硅(SiO₂)表面、蓝宝石(sapphire)表面、尾端为羧基(–COOH)的自组装单层表面、牛血清蛋白-Na₂CO₃膜表面、锐钛矿型TiO₂和金红石表面. 方海平研究员说: “这些结果显示出, 在自然界中, 这种常温下“不完全浸润的有序单层水”现象可能普遍存在, 该现象也有望在更多的真实材料表面上被看到”.

图1  常温下, 稳定的水滴出现在有序单层水之上, 该现象被称为“不完全浸润的有序单层水”. 图中蓝天白云代表常温下, 绿色部分为固体表面, 单层水分子仅用白色表示, 液滴水分子由红色和白色球组成, 红色代表氧原子, 白色代表氢原子.

   该研究得到了国家自然科学基金(批准号: 11290164, 11204341), 中国科学院上海应用研究所知识创新工程, 中国科学院知识创新工程, 上海超级计算中心, 中国科学院超级计算中心的共同资助.

来源论文:

Wang C L, Yang Y Z, Fang H P. Recent advances on “ordered water monolayer that does not completely wet water” at room temperature. Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57: 802-809, doi: 10.1007/s11433-014-5415-3