超润湿性零维材料：微观世界的独特性能

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超润湿性零维材料：微观世界的独特性能（ DOI: 10.1016/j.powtec.2017.02.002）
超润湿性零维材料：微观世界的独特性能
在材料科学领域，超润湿性材料因其独特的表面性能而备受关注。这些材料能够完全排斥或吸引特定液体，展现出极端的润湿状态。过去的研究主要集中在三维（3D）、二维（2D）和一维（1D）材料上，而零维（0D）材料（如颗粒、粉末和团聚体）的超润湿性研究则相对较少。今天，就让我们一起走进零维材料的超润湿性世界，探索其独特之处和潜在应用。
什么是零维材料的超润湿性？
零维材料是指那些在三维空间中尺寸极小（从几纳米到几百微米）的颗粒、粉末或团聚体。与宏观材料不同，这些材料的超润湿性不能简单地用传统的接触角测量方法来定义。这是因为零维材料的尺寸远小于常规液体滴（几毫米），导致传统的接触角测量方法难以直接应用于单个颗粒。因此，研究者们提出了新的定义和方法来理解和测量零维材料的超润湿性。

图 1. 零维材料的超润湿性。图中展示了超亲水（左）和超疏水（右）状态下的零维材料。

超润湿性的基本规则1. 液体与零维材料在原子/分子水平上的相互作用
传统的润湿性理论（如杨氏方程）通常适用于宏观尺度的固体表面。然而，对于零维材料，由于其尺寸极小，传统的接触角测量方法难以直接应用于单个颗粒。因此，研究者们提出了新的理论和计算模型，通过分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）等方法来研究液体与零维材料在原子/分子水平上的相互作用。

图2. 分子动力学模拟。图中展示了液体分子与零维材料表面之间的相互作用。

2. 超润湿状态的定义
对于零维材料，超亲水状态是指液体能够完全填充颗粒表面的微结构空隙，并形成连续稳定的液膜。而超疏水状态则可以通过两种模型来描述：一种是具有纳米级气穴的层级结构，这些气穴能够支撑液滴，形成纳米级的卡西状态，使液滴能够轻松滚落；另一种是细小的零维材料，液滴部分润湿颗粒表面，形成一种介于卡西和温泽尔状态之间的动态亚稳态。

图 3. 超润湿状态的定义。图中展示了超亲水（上）和超疏水（下）状态下的零维材料。

3. 构建足够的粗糙度以实现超润湿状态
表面粗糙度是实现超润湿状态的关键因素之一。通过在零维材料表面引入纳米结构，可以增加气穴的数量，从而增强液体的排斥或吸收能力。例如，研究表明，构建小于100纳米的纳米结构可以有效防止水的渗透，从而实现超疏水性。

图 4.表面粗糙度的影响。图中展示了通过引入纳米结构来实现超疏水性。

测量零维材料超润湿性的方法
1. 静滴法静滴法是一种简单且直接的方法，通过将液体滴在单个颗粒表面并测量接触角来评估其润湿性。这种方法适用于尺寸在几百微米到几毫米之间的颗粒。
2. 浮动颗粒法浮动颗粒法通过测量颗粒在液体中的浸入深度来计算接触角。这种方法适用于理想球形颗粒，但对操作要求较高。
3. 环境扫描电子显微镜（ESEM）ESEM可以在高湿度环境下观察液滴在颗粒表面的凝结情况，从而测量接触角。这种方法适用于尺寸在几微米到几百微米之间的颗粒。
4. 原子力显微镜（AFM）AFM通过记录探针与颗粒表面接触时的力来测量接触角。这种方法适用于尺寸在几微米到几百微米之间的颗粒。

图  5.a. 静滴法。图中展示了将液体滴在单个颗粒表面并测量接触角的过程;b. 浮动颗粒法。图中展示了颗粒在液体中的浸入深度测量过程;c. 环境扫描电子显微镜（ESEM）。图中展示了在高湿度环境下液滴在颗粒表面的凝结情况;d. 原子力显微镜（AFM）。图中展示了探针与颗粒表面接触时的力测量过程。

零维超润湿材料的应用1. 按需组装功能结构
通过控制零维材料的表面润湿性，可以实现纳米尺度构建块的有序排列，从而构建具有独特光学/电学性能的功能结构。例如，超亲水零维材料更容易组装，因为它们几乎不表现出溶剂排斥相互作用。
2. 超液体弹珠
超液体弹珠是由微/纳米尺度粉末覆盖的液体（或空气）滴，在空气（或液体）环境中展现出极低的粘附性和摩擦力。这些材料可以用于智能胶囊、微型化学反应器、生物培养器等领域。
3. 高性能超润湿涂层
超润湿涂层因其优异的防水性和抗冰性而备受关注。通过在聚合物中加入超疏水纳米颗粒，可以构建具有高机械耐久性的超疏水涂层。
4. 生物相容性界面
通过控制零维材料的表面润湿性，可以实现细胞与材料之间的有效相互作用。例如，超亲水表面可以有效捕获循环肿瘤细胞，用于癌症诊断。

图 6.b. 按需组装功能结构。图中展示了通过超亲水零维材料组装的有序结构;c. 超液体弹珠。图中展示了由超疏水粉末覆盖的液体弹珠;d. 高性能超润湿涂层。图中展示了经过机械磨损后仍保持超疏水性的涂层;e. 生物相容性界面。图中展示了超亲水表面捕获的肿瘤细胞.

结论
零维材料的超润湿性研究不仅具有重要的学术价值，还具有广泛的应用前景。通过深入理解零维材料的超润湿性，我们可以开发出更多高性能的材料，为人类健康、绿色工业等领域带来新的突破。

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参考文献：
Bin Su, Lei Jiang, Xuchuan Jiang, Aibing Yu. Superwettability of 0D materials. Powder Technology 312 (2017) 103–112. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.02.002