材料表面疏水和疏油有相關性嗎？

01-05

來源於http://www.zhihu.com/question/20523849

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先向@stevenliuyi道歉，說好上周末寫答案的拖到了這周末。

液體在固體表面的鋪展，不能僅用相似相容來解釋。因為第三個相——氣體是非常重要的。

維基Wetting給了一個很籠統的圖表：

http://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#Explanation

但Wetting實際上是一個用液-氣，液-固界面來代替固-氣界面的過程。最準確的方式是比較

$gamma_{LS}+gamma_{LG}$ 和$gamma_{SG}$的大小，也就是看spreading parameter 的正負。

可是除了$gamma_{LG}$（液體表面張力），其它都比較難測。

可以估計的是$gamma_{SG}$（固體表面張力），按照它的高低，固體可以分為高表面能（金屬，玻璃，金屬氧化物）和低表面能（塑料，石蠟）固體。見維基Wetting的High-energy vs. low-energy surfaces條目。

對於高表面能的固體，表面能普遍較低的液體在其上鋪展是有利的，一般來說較容易被浸潤（親水又親油）；對於低表面能的固體，液體能否鋪展要看液體的表面能是否會高於固體，比如水的表面張力就高於石蠟，因此石蠟表面疏水不疏油。（這是我在另一個答案里說「通常來說疏水不一定疏油，疏油一定疏水」的依據。）[2]

但是要看到，關於固體表面能的討論並沒有涉及$gamma_{LS}$ 一項（固體-液體表面能，由固體-液體相互作用決定）。最靠譜的方式是直接通過計算范德華力算出接觸角。[3] （我周一去單位下這個文章看看要不要擴充這一條）

還有一些液體無法在高表面能固體上鋪展涉及一些具體過程。比如有一大堆autophobic liquids，表面看起來它們不能浸潤金屬，其實它們不能浸潤的是自己吸附在金屬上的單分子膜。另外某些酯類能浸潤金屬卻不能浸潤玻璃，原因是它們吸附在玻璃上就水解成酸，形成一層自己浸潤不了的單分子層。

「荷葉效應」帶來的超疏水，和粗糙度有關。見維基Wetting的Non-ideal rough solid surfaces條目。因此我對於「雙疏表面」的設想是：帶有納米表面結構的聚四氟乙烯......

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Wetting

[2] W.A. Zisman. Relation of the Equilibrium Contact Angle to Liquid and Solid Constitution. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ba-1964-0043.ch001

[3] David B. Hough1, Lee R. White, The calculation of hamaker constants from liftshitz theory with applications to wetting phenomena. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0001868680800066

現階段做到疏水還是不難的，像很多人提及過的，只要使用低表面能物質修飾，使得修飾表面的表面能低於液體的表面能就可以了。但關鍵問題是這些修飾物本身就是非極性的，油滴易溶解在其中。所以做到疏油還是比較苛刻的，感覺主要還是修飾物要選對！像下述文獻中在鋁基體上電化學刻蝕並浸潤在[Ag(NH3)]+溶液中獲得納米尺度Ag晶粒獲得一種新型的微-納雙尺度結構，經PFOA處理後製得了油水雙疏的結構。這篇文獻里對接觸角測量的數據也證明了，具有疏油性的表面，疏水更是輕而易舉。（一般同樣條件下水滴接觸角比油滴高個十幾二十度）

Jinlong Song, Shuai Huang, Ke Hu, et al. Fabrication
of Superoleophobic surfaces on Al substrates[J]. Mater. Chem. A, 2013, 1,14783

超疏水和超疏油的設計理念基本是類似的，都是粗糙結構+低表面能物質修飾。但是油比水的的表面能更低，所以實現超疏油需要更加苛刻的條件，即引入一種倒T形的微米結構，類似一個倒置的大頭針。這種結構除了能大大增加材料的粗糙度以外（Wenzel方程），還可以使得液體在材料表面打到一種類似「浸潤飽和」的狀態（具體的我有點不是很懂），阻止液體浸潤微米結構之間的空隙。在2007年的science，2008年的pnas和2014年的science上均有報道。2014年的science甚至實現了由高表面能物質（硅）製備超疏油表面，打破了人們之前的嘗試。因而，在實現超雙疏物質的製備上，微納米結構比化學修飾更重要（個人觀點）。

在家裡手邊沒電腦，回家以後會把文章的名字和部分文章圖片補充上來的。

水分子是極性分子，油是非極性分子。

相似的分子間的作用力和分子自身之間的作用力相當，這就是相似相容的道理。

疏水或者疏油則是反過來的。

實際上就是極性分子和非極性分子相互疏遠，而他們自身之間則相互親近。

@圓SAN圓提到的物理疏水結構主要依靠的是液滴的表面張力。就是把材料表面做的像牙刷上的毛一樣（當然是微觀結構），然後液滴想要浸入就需要克服相當大的表面張力。

當然如果液滴和材料能完全浸潤的話，把材料表面做成任何形狀都是浮雲。

沒有必然關係。

疏水還是疏油，終究還是個能量問題，是「固體-氣體-液體」或者「固體-液體-液體」（如水下疏油）三相之間所能達成的一個能量最低最穩定的狀態。然後要認真考慮這其中的能量狀態又要涉及很複雜的力學計算。。。但有幾種情況可以明確給出答案，如下：

當我們談論液體在固體表面的浸潤問題時，必然要涉及到三個相，其中材料本身是固體相，另一個相是被研究的液體，液體相，最後一個相，可能是空氣（不同氣壓，甚至真空都是可能需要考慮的），也可能是另外一種不與前一個液體互溶的液體，最常見的是水。

在空氣中的疏水固體表面涉及到兩個基本因素：第一是固體的表面能，或者是表面修飾了什麼樣的化學基團，這些基團是疏水的，那麼就能疏水，但也有可能是疏水又親油的，那基本就會親油，基本上修飾上很長的碳氫鏈就會疏水親油，碳氟鏈則疏水又疏油；第二是固體表面的粗糙度或者微結構，分為無序的粗糙表面和有序的人工微結構。現在大部分研究工作都是在想辦法在一個粗糙的表面修飾成低表面能的，說起來相當一部分都是水文啊，簡單粗暴的重複啊。。。但也有一種路線是只去製造一個有序的微結構而不進行任何化學修飾，表面能只決定於所用材料。這種材料一般能疏油就會疏水，能疏水的不一定能疏油，取決於微結構本身的參數和液體的表面張力，當然油的表面張力比水小。

還有一種情況是可以疏幾乎一切液體的（既疏水又疏油），14年年底Science的一篇文章做出一種下圖一樣的結構，這種結構能夠支撐本徵接觸角為零的液體，所以幾乎一切液體都可以啦，例外只有能和二氧化硅反應的東西啦，例如氫氟酸（因為它上面的帽子是二氧化硅的。。）

還有一些人研究水下疏油（不疏水，但是疏油），這種材料當然就是親水的，而且是非常親水，當表面親的都是水以後，自然就疏油啦，但這種材料拿到空氣來很可能就既不疏水也不疏油。

綜上，同一個表面疏水和疏油的各種情況都涉及了，所以一個表面疏水和疏油沒有必然關係。

可以參考物化中的表面物理化學。

有的。

長碳鏈疏水親油，而羥基羧基等基團則親水。

物質親和性往往由微觀基團所決定的

如果是微觀層級的物理結構疏水的話有，它疏的是液滴。

如果是分子級的化學基團疏水的話，則相反，它疏的是水分子。

從傳統觀念來看疏油的一定疏水疏水的不一定疏油

但是也有疏油親水的塗層可以做出來