露 珠在疏水性的叶面
水珠在疏水性的草表面
在化學 中,疏水性 (或斥水性 、拒水性 )指的是一個分子 与水 互相排斥的物理性質。[ 1] 这种分子称为疏水物 。
疏水性分子偏向於非極性 ,並因此較會溶解 在中性和非極性溶液 (如有机溶剂 )。疏水性分子在水裡通常會聚成一團,而水在疏水性溶液的表面時則會形成一個很大的接觸角 而成水滴状。
舉例來說,疏水性分子包含有烷烴 、油 、脂肪 和多數含有油脂的物質。
疏水性通常也可以稱為親脂性 ,但這兩個詞並不全然是同義的。即使大多數的疏水物通常也是親脂性的,但還是有例外,如矽橡膠 和碳氟化合物 (Fluorocarbon)。
性質理論
根據熱力學 的理論,物質會尋求存在於最低能量的狀態,而关键便是個可以減少化學能的辦法。水是極性物質,並因此可以在內部形成氫鍵 ,這使得它有許多獨別的性質。但是,因為疏水物不是电子极化性的,它們無法形成氫鍵,所以水會对疏水物产生排斥,而使水本身可以互相形成氫鍵。這即是导致疏水作用 (這名稱並不正確,因為能量作用是来自親水性 的分子[ 2] )的疏水效应 ,因此兩個不相溶的相態(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。此一效應可以在相分離 的現象中被观察到。
超疏水性
超疏水性物質,如荷叶,具有極難被水沾溼的表面,水在其表面的接觸角 超過150°,滑动角小于20°。
理论
气体环绕的固体表面的液滴。接触角θC ,是由液体在三相(液体、固体、气体)交点处的夹角。
1805年,托马斯·杨 通过分析作用在由气体环绕的固体表面的液滴的力而确定了接触角θ。[ 3]
气体环绕的固体表面的液滴,形成接触角θ。如果液体与固体表面微结构的凹凸面直接接触,则此液滴处于Wenzel状态;而如果液体只是与微结构的凸面接触,则此液滴处于Cassie-Baxter状态。
γ γ -->
S
G
=
γ γ -->
S
L
+
γ γ -->
L
G
cos
-->
θ θ -->
{\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta }}
其中
γ γ -->
S
G
{\displaystyle \gamma _{SG}\ }
= 固体和气体之间的表面张力
γ γ -->
S
L
{\displaystyle \gamma _{SL}\ }
= 固体和液体之间的表面张力
γ γ -->
L
G
{\displaystyle \gamma _{LG}\ }
= 液体和气体之间的表面张力
θ可以用接触角测量计来测量。
Wenzel确定了当液体直接接触微结构化的表面时,θ角会转变为
θ θ -->
W
∗ ∗ -->
{\displaystyle \theta _{W}*}
cos
-->
θ θ -->
W
∗ ∗ -->
=
r
cos
-->
θ θ -->
{\displaystyle \cos {\theta }_{W}*=r\cos {\theta }}
其中,r为实际面积与投影面积的比率。[ 4] Wenzel的方程显示了微结构化一个表面将会放大表面张力。疏水性表面(具有大于90°的接触角)在微结构化之后会变得更加疏水,其新的接触角将比原来增大。然而,一个亲水性表面(具有小于90°的接触角)在微结构化之后却会变得更加亲水,其新的接触角将比原来减小。[ 5]
Cassie和Baxter发现如果液体悬浮在微结构表面,θ角将会变为
θ θ -->
C
B
∗ ∗ -->
{\displaystyle \theta _{CB}*}
cos
-->
θ θ -->
C
B
∗ ∗ -->
{\displaystyle \cos {\theta }_{CB}*}
= φ(cos θ + 1) – 1
其中,φ为固体与液体接触面积的比例。[ 6] 在Cassie-Baxter状态下的液体比Wenzel状态下更具有运动性。
通过用以上两个方程计算出的新接触角,我们可以预测Wenzel状态或Cassie-Baxter状态是否应该存在。由于有自由能最小化的限制,预测出具有更小的新接触角的状态就会更可能存在。从数学上来说,要使Cassie-Baxter状态存在,以下的不等式 必须成立。[ 7]
cos θ < (φ-1)/(r - φ)
最近提出的一个判断Cassie-Baxter状态是否存在的替代标准是:1)接触线力克服液滴未被支撑部分的重力;2)微结构足够高从而阻止液滴接触微结构的基底(即凹面)。[ 8]
接触角是静态测量疏水性的方法,接触角滞后和滑动角则对疏水性的动态测量法。接触角滞后是一种鉴定表面异质性的现象。[ 9] 当移液器 将液体注到固体表面时,液体就会形成一定的接触角。随着注入液体的增加,液滴的体积会随之增加,接触角也会变大,但三相边界会保持固定直到液体突然溢出。在液体溢出前瞬间的接触角被称为前进接触角。回退接触角可以通过将液体从液滴中吸出来测量。随着液体被吸出,液滴的体积减小,接触角也减小,但三相边界同样保持固定直到被完全吸回。在液体被吸回瞬间的接触角被称为回退接触角。而前进接触角和回退接触角之间的差异就是接触角滞后,它被用来鉴定表面的异质性、粗糙性和运动性。非同质的表面会有能够阻碍接触线的区域。滑动角是另一种动态测量疏水性的方法:在固体表面放置一个液点,倾斜表面直到液滴开始滑动,此时的倾斜角即为滑动角。处于Cassie-Baxter状态的液滴通常会表现出比Wenzel状态更小的滑动角和接触角滞后。
研究和应用
纳米纤维表面的水珠
許多在自然界中找到的超疏水性物質都遵循Cassie定律 ,而它在次微米 尺度下可以和空氣組成雙相 物質。蓮葉效應 便是基於此一原理而形成的。仿生學 上,超疏水性物質的例子有利用奈米科技 制作的nanopin膜(nanopin film)。
另見
參考
^ Ben-Naim, Arieh, 1934-. Hydrophobic interactions . New York: Plenum Press. 1980. ISBN 0-306-40222-X . OCLC 4638934 .
^ (英文) 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 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
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^ Cassie, A. B. D.; Baxter, S. Wettability of porous surfaces . Transactions of the Faraday Society. 1944, 40 : 546. ISSN 0014-7672 . doi:10.1039/tf9444000546 .
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^ Extrand, C. W. Criteria for Ultralyophobic Surfaces . Langmuir. 2004-06, 20 (12): 5013–5018. ISSN 0743-7463 . doi:10.1021/la036481s .
^ Johnson, Rulon E.; Dettre, Robert H. Contact Angle Hysteresis: I. Study of an Idealized Rough Surface. Fowkes, Frederick M. (编). Contact Angle, Wettability, and Adhesion 43 . WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. 1964-01: 112–135 [2020-10-04 ] . ISBN 978-0-8412-0044-9 . doi:10.1021/ba-1964-0043.ch007 . (原始内容存档 于2021-02-06) (英语) .
外部連結