吉林大学汪大洋团队ACS Nano评述 | 润湿之舞：自组装单层膜表面的浸润探旅- 大数跨境

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吉林大学汪大洋团队ACS Nano评述 | 润湿之舞：自组装单层膜表面的浸润探旅

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2025-10-29

导读：吉林大学汪大洋教授团队受邀发表文章聚焦于可精准操纵界面分子间相互作用的理想平台：分子自组装单分子膜（SAMs），概括系列有趣的分子尺度浸润行为，深入了解θ-interface内细微分子结构和化学特征变

英文原题：Wet and Wild: Adventurous Wetting Expeditions on Tailored Surfaces of Self-Assembled Monolayers

通讯作者：汪大洋（吉林大学）

作者：Zhuoyuan Ma, Zhuohuan Guo, Dayang Wang*

表面浸润是三相接触线与表面、浸润相和环境相分子间微观分子相互作用的宏观表达，其受近界面处5 -10 Å分子区（θ-interface）内复杂的分子信息共同调控。伴随过去几十年间，对表面微纳结构的合理设计虽在一定程度上可规避表面不良化学组分对浸润性的影响，但对浸润性分子水平理解的挑战仍来自于θ-interface区域内分子信息的复杂性。

近日，吉林大学汪大洋教授团队受邀发表题为“Wet and Wild: Adventurous Wetting Expeditions on Tailored Surfaces of Self-Assembled Monolayers”的评述。文章聚焦于可精准操纵界面分子间相互作用的理想平台：分子自组装单分子膜（SAMs），概括系列有趣的分子尺度浸润行为，深入了解θ-interface内细微分子结构和化学特征变化与表面浸润之间的相关性。该工作发表于ACS Nano 期刊，其中吉林大学汪大洋课题组马卓远博士为第一作者，汪大洋教授为通讯作者。

1. 油滴在低表面能表面的自由滑动

甲基封端的SAMs可实现十六烷等油滴的自由滑动，这为无氟低表面能涂层的设计提供了应用前景。由于甲基端基在室温下的无序排列能有效削弱基团间的范德华相互作用，使表面能（22-24 mN•m^-1）与常规含氟聚合物表面（18-28 mN•m^-1）相当。

2. 极性表面的水铺展受限

表面亲水性由表面偶极与水分子在平行于表面方向上的横向相互作用（图1）、垂直于表面方向上的纵向相互作用（图2）共同决定。

图1. 表面偶极长度小于或与水分子直径相当时，无论偶极强度如何，水分子间的空间效应会阻碍其在极性表面的扩散。

图2. 极性基团的堆积密度适中与水分子紧密结合会形成稳定有序的氢键网络，进而削弱表面的水合作用。

3. 非极性组分增加多组分表面的亲水性

极性基团的水合作用同样会受周围非极性基团的化学性质和空间排列影响，横向间距由表面组分决定（图3），纵向间距由组分长度配比决定（图4）。

图3. OH/CH₃混合SAMs，在低羟基密度时，表面水即可从部分浸润转变为完全浸润。

图4. (A) PO₃^2-/CH₃混合SAMs，当Δh（硫醇主链亚甲基个差）为1-3时，PO₃^2-的向外取向被非极性基团CH₃增强。当Δh达到5时， PO₃^2-即使在水下也会向内翻转；(B) Δh为模拟复杂蛋白表面提供精准的分子设计。

4. 超润滑

表面摩擦对分子覆盖度的依赖性突出了分子级粗糙度在控制三相接触线处分子间相互作用的复杂影响，为设计新型超润滑表面提供思路（图5）。

图5. 表面化学不均匀性的钉扎效应在表面覆盖度的中间范围内起作用。

意见及观点

SAMs能够体现θ-interface内近乎所有复杂的分子信息，这些分子信息都可借助先进的表面特异性光谱技术得以表征。未来的研究应迫切聚焦于如何将复杂的分子变量转化为具有明确物理化学含义的数学因子，使用Wenzel 和 Cassie-Baxter 模型准确定量地描述分子级粗糙度和化学异质性对浸润性的精准调控，有助于激发研究人员设计出更多巧妙的分子和新颖的表面浸润材料。作者感谢国家自然科学基金（21932003和22161132009）和吉林大学化学学院资助。

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