润湿现象的起源：从宏观毛细上升到纳米接触线的视角

搁浅

润湿现象的起源：从宏观毛细上升到纳米接触线的视角（DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b01935）

一、研究背景

润湿现象的研究可追溯至18世纪初。Hauksbee（1706）与Jurin（1717）先后指出，液体在毛细管中的上升高度与管径成反比，且与外部气压无关。Young（1805）与Laplace（1805）分别基于表面张力与力平衡建立了经典理论。此后，研究重心逐渐由“力”转向“能量”描述，并普遍假设润湿行为取决于液–固界面面积上的相互作用。然而，近十年来的实验与模型表明，真正决定润湿过程的是三相接触线附近的局部相互作用。

图1.  毛细上升示意

二、关键实验证据

• 毛细上升实验
  使用内径1.2 mm的硼硅酸盐玻璃管进行三组对比：
  (1) 管端轻触水面；
  (2) 管端深入水下；
  (3) 管端10 mm区段经疏水化处理后，控制水与亲水区接触。
  三组实验中，液体最终上升高度均为24 mm，与理论预测24.5 mm一致。结果明确显示：上升高度与已润湿的固体面积无关，而取决于接触线处的边界条件。
• 异质基底液滴实验
  在亲水硅片（θ_a≈7°）上引入宏观疏水聚苯乙烯“岛”。当液滴接触线位于岛内时，表观接触角≈95°；一旦接触线跨越岛界，液滴立即呈现与大面积亲水基底一致的7°。该现象表明，基底异质性对表观接触角无平均化效应，接触线决定最终润湿状态。
  
  

三、模型与理论

• 毛细上升能量平衡
  以接触线产生的垂直表面张力分量πDγ cos θ_a 为驱动力，计入重力势能变化与黏性耗散，可直接导出Laplace公式
  h = 4γ cos θ_a / (ρgD)。
  该推导无需引入Young方程，亦无需假设界面能变化，进一步佐证接触线主导的物理图像。
  
  

图2.  毛细上升对照实验

• 方向性润湿与结构表面
  (1) 非对称“锯齿”微结构管内，液体在正反方向的启动阈值不同，可用接触线受力差异定量描述。
  (2) 以荷叶为例，建立半球–二次纳米边缘模型，计算表明临界侵入压力Δp_c≈12–15 kPa，与实验相符；表观后退接触角θ_apr≈158–166°，决定液滴在倾斜表面的滞留行为。
  
  

四、对“接触线”的再定义

宏观尺度上，接触线被视为一条一维周界；而在纳米尺度，它是三维分子作用区域，宽度不足10 nm。润湿自由能可通过Gibbs吸附方程估算，ΔG随θ_a减小而指数增大，在θ_a→0°时可达–10 kJ mol⁻¹以上，与光谱测得的键能一致。

五、结论与展望

近期的系统实验与理论模型共同证明：润湿过程并非由宏观液–固界面面积控制，而由接触线附近的局部分子相互作用决定。该认识为超疏水材料、微流控芯片、涂层技术等领域提供了简洁而普适的设计原则。未来工作需在统一框架内进一步整合力、能量与动力学描述，以实现对复杂润湿行为的精确预测与调控。