研究者探索了蓝宝石（氧化铝）单晶4种不同晶面的浸润性行为，发现虽然氧化铝多晶表面亲水（接触角约为10°），但4种晶面的本征接触角均大于10°，其中![]()
晶面的本征接触角接近90°，属于疏水晶面。
1805年，托马斯·杨考虑了固/液/气三相接触线处的力学平衡，引入了宏观“接触角”概念和杨氏方程，来描述固体表面本征接触角与表面张力之间的关系：
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接触角θ与杨氏方程
杨氏方程要求固体表面满足各向同性、均质、光滑等理想假设，但在实际测量中，这样的完美表面很难获得，科学家一般研究的都是非均质表面：虽然在宏观上是光滑的，但在微观上却趋于混乱。这样获得的接触角不能称之为本征接触角。为了探究材料的本征浸润性问题，澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料所、澳大利亚基金会国家未来低能电子技术优秀中心王晓临教授团队和中国科学院理化技术研究所江雷研究员和田野研究员共同研究了蓝宝石（氧化铝）单晶不同晶面的浸润性行为。相关成果以“Crystal Face Dependent Intrinsic Wettability of Metal Oxide Surfaces”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR) 。![]()
众所周知，氧化铝表面是亲水的，氧化铝多晶表面的接触角大约为10°左右。而研究者们在实验过程中惊奇地发现（如上图a所示），所有4个不同晶面方向的氧化铝单晶的本征接触角都远远大于10°，并且其中![]()
晶面的接触角非常接近90°。该团队的前期研究已经证实，材料本征亲疏水的界限约为65°，所以![]()
晶面为疏水晶面。
研究者又对不同晶面的界面吸附水结构取向进行了DFT模拟（模拟示意图如上图b、c、d、e所示），结果发现：相较于亲水的![]()
、![]()
和![]()
晶面，![]()
晶面的界面吸附水分子呈现站立的状态，即疏水晶面的氢原子处在第一层吸附水的最高点，因此三相接触线处界面水滴与固体界面吸附水分子只与一个氢原子形成界面相互作用，进而三相接触线容易锚定。但在3种亲水晶面上，吸附水分子中的氧原子在最高点，在三相接触线处氧原子存在两个孤对电子与水滴中的水分子作用，使三线接触线更容易铺展。
至此，该开创性工作从原子级平整的氧化铝晶体界面出发，在相似化学组成（氧化铝）、几乎不具有界面结构（原子级平整）的固体表面，证明了界面吸附水分子的取向对界面宏观浸润性有巨大的影响。该工作围绕固体界面的本征浸润性的研究对界面催化效率的改善，优异功能材料的制备，复合器件性能的提升等领域十分重要。
论文连接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa166
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