通过表面纳米尺度结构和化学均一性调控疏水相互作用

疏水力被认为是生物系统中最为重要的一种非特异性表面相互作用力，是水环境中蛋白质肽链空间折叠、DNA三级结构组装以及生物膜磷脂双分子层形成的主要动力。在许多其它的胶体界面现象、生物理化过程和工业工程应用中，疏水力也发挥着关键的作用。例如，在油水分离、矿物浮选、气体传输、蛋白提纯、细胞操控和药物传递等领域中，疏水力通常决定着各自过程目标特征与功能的实现和效率。

那么，疏水力的本质究竟是什么呢？目前被普遍接受的疏水力作用机理与疏水界面的水分子的特殊取向和排布密切相关。由于不具有形成氢键的能力，疏水表面会迫使一部分界面水分子改变原有的取向，形成一定数量的垂直于疏水表面的“悬空”氢氧键，这些固定方向的偶极通过动态氢键网络驱使周围的水分子重新排列成一个相对规整有序的水合层。这种界面水分子有序网络的形成会导致熵大幅降低，在热力学上是不利的，因此疏水物质在水中倾向于彼此聚集以减少界面水分子的数量，增加系统熵，降低系统表面自由能，从而表现为一种无法由经典DLVO理论解释的强吸引相互作用力。

传统观念认为，疏水力的强弱与范围主要取决于相互作用的两个疏水表面的疏水度（水滴接触角），材料表面的水滴接触角越大则其疏水力作用越强。近日，阿尔伯塔大学Hongbo Zeng（曾宏波）教授（点击查看介绍）团队利用气泡探针原子力显微镜技术，准确地量化了在水溶液中微米级空气气泡与两种理化性质截然不同的疏水表面（即硫醇自组装单分子层和润滑液体浸渍多孔介质表面）之间的疏水力，揭示了疏水度的高低（水滴接触角的大小）并不一定意味着疏水力的强弱，疏水力的强度和作用范围很大程度上取决于疏水表面纳米尺度上的结构和化学均一性。研究发现，通过缩短硫醇分子长度或共吸附两种不同长度的硫醇或引入亲水性端基，可大幅增加疏水表面的纳米级结构和化学不均一性，实现硫醇单分子层表面结构从规整的类晶状态向无定型的类液状态转变。这一转变能将单分子层与气泡间疏水力的衰减长度从1.60 nm明显降低到1.00 nm；而纯液态的油层表面的水滴接触角能高达115°，但是其与气泡间的疏水力的衰减长度却只有0.35 nm。

这个现象背后的原因在于，在水溶液中具有类晶状态的疏水表面的“悬空”氢氧键数量较多，对周边水分子的物理约束作用较强，界面水分子的长程有序网络能够延续数个水分子层，因此与气泡之间的疏水力作用范围相对较长；相比而言，具有类液状态或纯液态的疏水表面“悬空”氢氧键的数量大幅降低，对周边水分子的物理约束也很微弱，只能导致1-2个水分子层内的短程有序排列，因此导致了较为短程的疏水力。

这项工作为有效地调控疏水力的强度和作用范围提供了可靠的途径，为全面而深入地理解疏水力的物理机理提供了新颖的见解，对于研究由疏水力驱动的各种胶体和界面现象，并为相关的实际工程应用提供理论指导具有重要的意义。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，并被选为Very Important Paper，文章第一作者是崔辛博士。

该论文作者为：Xin Cui, Jing Liu, Lei Xie, Jun Huang, Qi Liu, Jacob N. Israelachvili, Hongbo Zeng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Modulation of Hydrophobic Interaction by Mediating Surface Nanoscale Structure and Chemistry, not Monotonically by Hydrophobicity,

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 11903-11908, DOI: 10.1002/anie.201805137

导师介绍

Hongbo Zeng

http://www.x-mol.com/university/faculty/45151