疏水物
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在化學(xué)里，疏水性指的是一個分子（疏水物）與水互相排斥的物理性質(zhì)。[1]
疏水性分子偏向于非極性，并因此較會溶解在中性和非極性溶液（如有機(jī)溶劑）。疏水性分子在水里通常會聚成一團(tuán)，而水在疏水性溶液的表面時則會形成一個很大的接觸角而成水滴狀。
舉例來說，疏水性分子包含有烷烴、油、脂肪和多數(shù)含有油脂的物質(zhì)。
疏水性通常也可以稱為親脂性，但這兩個詞并不全然是同義的。即使大多數(shù)的疏水物通常也是親脂性的，但還是有例外，如硅橡膠和碳氟化合物（Fluorocarbon）。
目錄 |
性質(zhì)理論
根據(jù)熱力學(xué)的理論，物質(zhì)會尋求存在于最低能量的狀態(tài)，而關(guān)鍵便是個可以減少化學(xué)能的辦法。水是極性物質(zhì)，并因此可以在內(nèi)部形成氫鍵，這使得它有許多獨(dú)別的性質(zhì)。但是，因?yàn)槭杷锊皇请娮?a href="/w/%E6%9E%81%E5%8C%96" title="極化">極化性的，它們無法形成氫鍵，所以水會對疏水物產(chǎn)生排斥，而使水本身可以互相形成氫鍵。這即是導(dǎo)致疏水作用（這名稱并不正確，因?yàn)槟芰孔饔檬莵碜杂H水性的分子[2]）的疏水效應(yīng)，因此兩個不相溶的相態(tài)（親水性對疏水性）將會變化成使其界面的面積最小時的狀態(tài)。此一效應(yīng)可以在相分離的現(xiàn)象中被觀察到。
超疏水性
超疏水性物質(zhì)，如荷葉，具有極難被水沾溼的表面，其水在其表面的接觸角超過150°，滑動角小于20°。
理論
1805年，托馬斯·楊通過分析作用在由氣體環(huán)繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角θ。[3]
-
- 其中
= 固體和氣體之間的表面張力
= 固體和液體之間的表面張力
= 液體和氣體之間的表面張力
θ可以用接觸角測量計來測量。
Wenzel確定了當(dāng)液體直接接觸微結(jié)構(gòu)化的表面時，θ角會轉(zhuǎn)變?yōu)?span id="rgnz37s" class="texhtml">θW *
-
- cosθW * = rcosθ
其中，r為實(shí)際面積與投影面積的比率。[4]Wenzel的方程顯示了微結(jié)構(gòu)化一個表面將會放大表面張力。疏水性表面（具有大于90°的接觸角）在微結(jié)構(gòu)化之后會變得更加疏水，其新的接觸角將比原來增大。然而，一個親水性表面（具有小于90°的接觸角）在微結(jié)構(gòu)化之后卻會變得更加親水，其新的接觸角將比原來減小。[5]
Cassie和Baxter發(fā)現(xiàn)如果液體懸浮在微結(jié)構(gòu)表面，θ角將會變?yōu)?span id="qb3ubah" class="texhtml">θCB *
-
- cosθCB * = φ(cos θ + 1) – 1
其中，φ為固體與液體接觸面積的比例。[6]在Cassie-Baxter狀態(tài)下的液體比Wenzel狀態(tài)下更具有運(yùn)動性。
通過用以上兩個方程計算出的新接觸角，我們可以預(yù)測Wenzel狀態(tài)或Cassie-Baxter狀態(tài)是否應(yīng)該存在。由于有自由能最小化的限制，預(yù)測出具有更小的新接觸角的狀態(tài)就會更可能存在。從數(shù)學(xué)上來說，要使Cassie-Baxter狀態(tài)存在，以下的不等式必須成立。[7]
-
- cos θ < (φ-1)/(r - φ)
最近提出的一個判斷Cassie-Baxter狀態(tài)是否存在的替代標(biāo)準(zhǔn)是：1)接觸線力克服液滴未被支撐部分的重力；2)微結(jié)構(gòu)足夠高從而阻止液滴接觸微結(jié)構(gòu)的基底（即凹面）。[8]
接觸角是靜態(tài)測量疏水性的方法，接觸角滯后和滑動角則對疏水性的動態(tài)測量法。接觸角滯后是一種鑒定表面異質(zhì)性的現(xiàn)象。[9]當(dāng)移液器將液體注到固體表面時，液體就會形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加，液滴的體積會隨之增加，接觸角也會變大，但三相邊界會保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進(jìn)接觸角。回退接觸角可以通過將液體從液滴中吸出來測量。隨著液體被吸出，液滴的體積減小，接觸角也減小，但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進(jìn)接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯后，它被用來鑒定表面的異質(zhì)性、粗糙性和運(yùn)動性。非同質(zhì)的表面會有能夠阻礙接觸線的區(qū)域。滑動角是另一種動態(tài)測量疏水性的方法：在固體表面放置一個液點(diǎn)，傾斜表面知道液滴開始滑動，此時的傾斜角即為滑動角。處于Cassie-Baxter狀態(tài)的液滴通常會表現(xiàn)出比Wenzel狀態(tài)更小的滑動角和接觸角滯后。
研究和應(yīng)用
許多在自然界中找到的超疏水性物質(zhì)都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質(zhì)。蓮花效應(yīng)便是基于此一原理而形成的。仿生學(xué)上，超疏水性物質(zhì)的例子有利用奈米科技制作的nanopin膜（nanopin film）。
另見
參考
- ↑ Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
- ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): "Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls." JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450-455. Link to abstract
- ↑ Young, T.. An Essay on the Cohesion of Fluids. Phil. Trans. R. Soc. Lond.. 1805, 95: 65–87. doi:10.1098/rstl.1805.0005.
- ↑ Wenzel, RN. Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Ind. Eng. Chem.. 1936, 28: 988-994.
- ↑ de Gennes, Pierre-Gilles. Capillarity and Wetting Phenomena. 2004.
- ↑ Cassie, ABD. Wettability of Porous Surfaces. Trans. Faraday Soc.. 1944, 40: 546-551.
- ↑ Quere, D. Non-sticking Drops. Reports on Progress in Physics. 2005, 68: 2495-2532.
- ↑ Extrand, C. Criteria for Ultralyophobic Surfaces. Langmuir. 2004, 20: 5013-5018.
- ↑ Johnson, RE. Contact Angle Hysteresis. J. Phys. Chem.. 1964, 68: 1744-1750.
外部連結(jié)
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參考來源
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