新しい研究は、分子間力がスマート材料の設計にどのように影響するかを明らかにします

中国科学院の研究者による最近の研究では、分子間力の観点から、液体が固体表面との接触を維持する方法（湿潤性とも呼ばれます）を再定義しています。

調査結果はで公開されました ナノリサーチ 2月8日。

湿潤性は、層がどのようにくっつくかを決定するため、材料の設計に関連しています。 研究の著者であり、生物に触発された材料と界面科学の主要研究所のYe Tian教授は、「触媒反応の効率、分離、電極材料、バイオニックスマート材料の設計など、多くの分野で重要な役割を果たしています。 。」 たとえば、湿気に応じて接触が変化するスマートレイヤーは、湿度に適応するスポーツウェアに使用できます。

湿潤性モデル

高い湿潤性は、液滴が広がり、表面との接触角が低くなることを意味しますが、低い湿潤性は、広がりに抵抗する液体を表します。 古典的に、接触角によって示される湿潤性は、理想的で完全に滑らかな表面をモデル化するヤングの方程式を使用して特徴付けられます。 水滴が90度未満の接触角まで広がる場合、表面は親水性または水を好むものとして分類されます。 水滴の接触角が90度を超える場合、その表面は疎水性に分類されます。

ただし、Youngのモデルには、固体表面と接触している液体の観察された動作を説明する上で制限があります。 たとえば、後のウェンゼルとキャシーのモデルで説明されているように、表面が粗くなった後に水接触角が増加する理由を説明することはできません。 さらに、研究の著者は、純粋な液体に浸された固体表面の相互作用を分子レベルで調査し、固有の濡れしきい値（IWT）（液体が広がるまたはビーズになるポイント）をよりよく理解しました。 Tian氏は、「一連の研究により、水中の非極性表面間に疎水性引力が存在し、極性表面間に親水性反発が存在する可能性があることがわかりました。つまり、IWTは分子間力に依存する必要があります。」

固有の濡れしきい値

研究者らは、さまざまな液体中の1分子の厚さの層（自己組織化単分子膜またはSAM）で構成される固体の相互作用を実験して、湿潤性がそれらの引力または反発にどのように影響するかを調べました。 彼らは、水、エチレングリコール（EG）、ジメチルスルホキシド（DMSA）、およびN、N-ジメチルホルムアミド（DMF）を、さまざまな表面張力を表す試験液として選択しました。 原子間力顕微鏡を使用して、各液体のSAM間の付着力の力曲線を測定しました。 接触角は、液滴の形状と固体との接触角を測定する装置である接触角システムを使用して、各液体の1μLの液滴について評価されました。

結果は、水の場合、固有の濡れしきい値（IWT）が、Youngの式で予測された90°ではなく、固体との接触角65°で発生したことを示しています。 言い換えると、65°は親水性と疎水性の挙動の境界点であり、しきい値の両側にある水の水素結合ネットワークの違いと関係があります。 また、彼らは、約65°の接触角での遷移で、水層と硬質表面（SAM）の間の付着力に違いがあることを発見しました。 Tian氏は、「対称SAM間の相互作用力の観点から、純水のIWTが約65°であることを確認しました」と説明しています。

他の有機液体は水素結合を欠いていますが、それでもIWTは、接触角とともに硬質表面（SAM）間の付着力の変化を調べることによって得られました。 結果は、「ヤングの方程式で定義された値とは異なる、IWTの新しい曲線であり、既知の表面張力を持つ純粋な液体のIWTを事前に判断するために使用できます」。

次のステップ

研究者たちは、機能性材料の設計への重要な応用を考えれば、分子レベルでの濡れのメカニズムを研究し続けることを計画しています。 ヤングの歴史的方程式に関連してIWTを再定義したことで、彼らは「湿潤性と分子間力の関係を理解するための新しい視点を提供する」ことを期待しています、とTianは予測しています。

清華大学出版社提供