润湿的机制

搁浅

材料的润湿机制是界面科学的核心问题之一，涉及固-液-气三相界面的相互作用。其本质由热力学平衡和动力学过程共同决定，可分为以下关键部分：

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1. 热力学基础：杨氏方程与接触角当液滴在固体表面达到平衡时，三相接触线处的受力平衡由杨氏方程描述（1805年）：
cosθ=γLG​γSG​−γSL​​

• θ：接触角（液-气界面与固-液界面的夹角），决定润湿性：
  
  • θ < 90°：亲水/亲液（润湿）
  • θ > 90°：疏水/疏液（不润湿）
  • θ → 0°：超亲水（完全铺展）
  • θ > 150°：超疏水（如荷叶效应）
    
• γ_{SG}, γ_{SL}, γ_{LG}：固-气、固-液、液-气的界面张力。
  

局限性：杨氏方程假设理想光滑表面，实际需修正（如Wenzel或Cassie-Baxter模型）。

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2. 表面粗糙度的影响

• Wenzel模型（1936年）：粗糙表面使实际接触面积增大，增强润湿或疏水性：
  cosθ∗=rcosθ(r>1,粗糙度因子)
  
  • 若θ < 90°，粗糙使θ更小（更亲水）；若θ > 90°，则θ更大（更疏水）。
    
• Cassie-Baxter模型（1944年）：液滴悬浮在粗糙表面突起上，形成复合界面（空气 trapped）：
  cosθ∗=f1​cosθ−f2​(f1​+f2​=1,固液与气液接触面积分数)
  
  • 典型如超疏水表面（如荷叶），水滴θ* ≈ 160°-170°。
    

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3. 表面化学修饰通过改变表面化学基团调控润湿性：

• 亲水基团：-OH, -COOH, -NH₂（氢键或极性作用）。
• 疏水基团：-CH₃, -CF₃（低表面能，如氟化涂层）。
• 动态调控：响应性材料（温度、pH、光）可切换润湿性，如智能表面。
  

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4. 动力学过程：润湿前沿的扩展润湿行为受以下动力学因素控制：

• 毛细力：液滴在微通道中的自发铺展（Washburn方程）。
• 粘滞阻力：液滴铺展速度受液体粘度影响。
• 接触角滞后：前进角（θ_A）与后退角（θ_R）的差异，导致液滴粘附。
• Marangoni效应：表面张力梯度驱动的流动（如温度或浓度梯度）。
  

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5. 特殊润湿现象

• 超铺展（Super-spreading）：表面活性剂使液滴在极低表面能表面完全铺展（θ→0°）。
• 去润湿（Dewetting）：液膜破裂形成液滴（如油膜收缩）。
• 电润湿（Electrowetting）：外加电压改变接触角，用于微流控芯片。
  

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应用示例

• 超疏水涂层：自清洁玻璃、防结冰。
• 亲/疏水图案化：微流控芯片中的液滴操控。
• 医用材料：抗血栓涂层（降低蛋白质吸附）。
  

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总结
润湿机制是界面能、表面形貌、化学组成三者协同作用的结果。通过调控这些因素，可实现从超亲水（如防雾涂层）到超疏水（如防水织物）的广泛设计。