表面缺陷与离子吸附对微观界面水结构及浸润性质影响的理论研究

The wetting behavior of water on the solid surfaces has drawn extended interdisciplinary interests in physics, chemistry, materials sciences and biology. Generally, the solid surfaces are assumed to be ideal without any defects. However, the defects unavoidably exist on the material surfaces and the ions are always existing in the water, both of which may greatly impact the wetting behavior. Up to now, the role of the microscopic water structures is usually neglected when studying the wetting behavior of water on the solid surface. In fact, water molecules themselves encompass microscopic structures and can form the hydrogen bond networks. When the surface defects or the ions are introduced, there will be complicated coupling effects between the water molecular structures and the surface defects or solvated ions, which are still not fully understood. In this project, using the molecular dynamics simulations, combining quantum mechanics ab intio calculations, we mainly try to understand the impact of widespread surface defects or the ions on the microscopic water structures and the surface wetting behavior. Particularly, we mainly consider the impact of the surface defects or the ions on the structure of ordered water on the surface and the matching effect between the size of water molecule and the lattice structures. The fluid dynamics and solid/liquid frictions due to the surfaces defects or the ions in water will be also investigated. These studies will be helpful in understanding the microscopic surface wetting behavior, and provide some theoretical foundation on the development of materials with low frictions, the design of the micro-fluid control device and the self-clearing materials.

水对表面的浸润行为是物理学、化学、材料学甚至生物学等研究领域的一个基本科学问题。在通常的研究中，表面一般假设为理想表面，但实际表面常常有缺陷，并且一般体系中都溶解有离子。对这些体系，人们常常忽略了水的微观结构在表面浸润性中的作用。事实上，水分子本身是有结构的，水水间还会形成复杂的氢键网络。本项目中，我们拟利用分子动力学模拟结合量化计算，并考虑水本身的结构、氢键网络，与缺陷的结构和特性、离子的特性的耦合，研究表面缺陷和溶液中离子因素对固体表面水的微观结构和浸润性质的影响，包括微观尺度下水分子的有序结构，水分子尺寸与表面晶格的大小/原子排布所带来的结构匹配效应，进而研究这样的表面上水溶液的流动行为和界面阻尼。这些研究有助于人们深入理解微观表面的亲疏水性质及相关问题，并为开发表面减阻材料、自清洁材料、防水材料以及微流控设备的设计等提供一些理论基础。

界面水的基本物理性质是物理学、化学、材料学甚至生物学等研究领域的一个重要科学问题，其对流动减阻、抗污染材料设计、高热导材料设计、抗冻材料设计等许多应用问题起到关键作用。实际表面常常有一些原子尺度的结构，表面会有缺陷，并且一般体系中都溶解有离子。对这些体系，人们常常忽略了固体表面结构所诱导水的微观结构以及溶液中离子在表面浸润性及其他物理特性中的作用。.本项目研究了表面许多因素，包括缺陷、温度、极性、表面原子排布结构和溶液中离子等因素对表面水结构及表面浸润，以及其他物理性质，包括表面阻尼、化学反应、热导率和介电性行为的影响。在本项目支持下，共发表论文14篇，一区论文3篇，二区论文5篇，我们初步揭示了界面的许多因素，包括缺陷对极性表面和氧化物浸润的重要影响理解不同的缺陷类型，包括点缺陷、化学修饰OH使得表面变得更亲水（1篇J. Phys. Chem. C，1篇已投稿J. Am. Chem. Soc.），研究了表面小电荷对表面宏观浸润性质影响不大，但却带来了微观表面阻尼的巨大影响，打破宏观与微观性质相同的想法（1篇Communications Chemistry），发现极性对表面浸润的非单调影响（1篇Phys. Chem. Chem. Phys.），研究了温度可用于控制表面浸润（1篇J. Chem. Phys.文章），理论预言表面偶极诱导水的有序-无序相变行为（1篇Phys. Rev. Mater.文章）。除此之外，我们还研究了表面水结构对表面化学反应（1篇J. Am. Chem. Soc.）、热导率（1篇Nanoscale）、介电常数（1篇J. Phys. Chem. Lett.）的影响,研究了离子吸附对界面浸润影响（文章仍在整理）。本项目的执行过程中，负责人获国家优青项目支持，培养了1名博士和1名硕士，另有1名博士和1名硕士将参加答辩。这些工作丰富了我们对界面水性质的理解，对人们理解界面水的重要物理、化学性质起到基础性作用,有望对于设计应用材料起到理论指导作用。