什么是亲水和疏水性
亲水性（hydrophilicity）指材料表面易被水润湿的能力，通常表现为水滴接触角小于90°，而疏水性（hydrophobicity）则指表面排斥水的能力，接触角大于90°。
这一特性受表面化学组成（如极性基团、粗糙度）和物理结构（如纳米纹理）的调控。水分子与材料表面的相互作用包括氢键、范德华力和静电作用等。亲水材料常用于抗雾涂层和生物相容性表面，而疏水材料应用于防水和自清洁领域。
DOI: 10.1021/acsnano.7b05813
计算模拟通过原子尺度建模，量化这些交互。例如，TiO2材料在油中的超疏水性和超亲水性之间具有可转换过渡的纳米管阵列。
可以通过紫外线照射和加热过程的交替来观察切换，并且智能的可控制性可以归因于表面纳米结构和化学组成变化之间的协同作用。理论方法如DFT计算电子密度分布，MD模拟动态行为，帮助揭示微观机制。以下从计算方法探讨如何体现亲水疏水性。
计算方法在亲水疏水性中的应用
计算方法提供多尺度视角，从量子力学到经典力学，模拟材料–水界面行为。
1、密度泛函理论（DFT）
DOI: 10.1016/j.surfin.2023.102969
DFT是一种量子化学方法，用于计算材料表面的电子结构和能量。通过优化几何结构，DFT可评估水分子在表面上的吸附能（Eads），这是体现亲水疏水性的关键指标。
负值较大的Eads表示强吸附，体现亲水性；接近零或正值则表示弱交互，体现疏水性。例如，DFT 模拟证实了-OH 和-O-OH 对原始MXene的亲水性的强烈影响。吸附能数据表明，水分子在表面无端基MXenes上的吸附在能量上是不利的，指向疏水特性。离子辐照被用作部分去除表面终止官能团以使MXenes具有疏水性的工具。
2、分子动力学（MD）模拟
DOI: 10.1016/j.energy.2023.129453
MD模拟通过牛顿力学方程，追踪原子轨迹，动态体现亲水疏水性。例如，基于分子动力学的接触角系统，以在分子水平上研究经不同离子液体处理的煤样的润湿特性。
模拟结果表明，与未经处理的煤相比，[HOEmim][Cl]比[Emim][Cl]表现出更大的改善煤润湿性能的能力。接触角实验表明，与去离子水相比，[Emim][Cl]和[HOEmim][Cl]处理导致接触角分别降低22.67°和25.04°，为分子模拟的准确性提供了验证。
3、机器学习算法
DOI: 10.1016/j.cej.2020.127898
机器学习（ML）结合大数据，加速亲水疏水性预测。例如，通过基于机器学习的预测方法在该领域中采用了一种新颖的方法来预测疏水性和超疏水性表面上撞击液滴的行为。我们基于随机森林方法开发的模型可预测掉落行为，准确性最高可达98％。
为了找到那些有利于在跌落冲击时产生弹跳行为的条件，我们预测了范围广泛的韦伯数（即冲击速度和大量假想表面）撞击降落的结果。我们的结果为创建超疏水表面提供了一些设计标准，这些表面倾向于在跌落冲击时反弹。
总结
计算方法通过密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）和机器学习等，系统揭示了材料的亲水疏水性。从接触角、吸附能到水合结构，这些性质的量化提供了原子级洞见，推动材料创新。DFT高效计算能量，MD捕捉动态，ML加速预测。随着算法进步，计算将更精确地体现复杂体系的亲水疏水行为，为可持续技术和生物工程提供广阔前景。
【做计算 找华算】
🏅 华算科技提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服
务。🎯500+博士团队护航，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
