亲水和疏水有什么区别？润湿成因、微纳结构影响及实际应用

说明：本文华算科技主要介绍亲水与疏水的物理含义、润湿状态的形成原因、微纳结构对表观润湿的放大作用，以及二者在材料界面、电化学反应和液体输运中的作用。

亲水和疏水描述的是水在固体表面的铺展倾向。水滴接触固体后，会同时接触固体、液体和气体三相，接触线附近形成一个可测的角度。

通常把水接触角小于 90°的表面称为亲水表面，把水接触角大于 90°的表面称为疏水表面；接触角接近 0° 的表面常称为超亲水，接触角大于 150° 且滚动阻力很小的表面常称为超疏水。这里的分类来自宏观液滴形态，而不是某一种单独化学键。

从分子作用看，亲水表面往往含有羟基、羧基、胺基、氧化物位点、带电基团或强极性键，水分子可通过氢键、偶极相互作用或离子水合稳定贴附在表面。疏水表面常含有烷基、氟代链、低极性碳骨架或被空气隔开的粗糙结构，水分子在表面附近失去部分氢键配位，液滴倾向于缩小接触面积。

水滴形状因此成为表面化学、表面形貌和界面能共同作用的外观结果，液滴停留时间和表面吸附水层也会改变这种外观。

图1. 机械响应集水表面中超疏水网格和亲水微纤维的结构设计。DOI：10.1038/ncomms14831

在材料研究中，亲水和疏水常与表面能联系在一起。高表面能固体容易被水润湿，低表面能固体容易排斥水，但真实样品还存在粗糙度、孔道、污染物和吸附层。

接触角属于表观润湿读数，同一种材料经过等离子体处理、退火、氟化、氧化或吸附有机分子后，水滴轮廓会发生明显变化。用亲水或疏水给材料贴标签时，测试液体、空气湿度、表面历史和液滴体积都要写入实验条件。

Young 方程把理想平滑表面上的接触角写成界面张力的平衡：γ_SV = γ_SL + γ_LV cosθ_Y。当固体–液体界面能 γ_SL 降低时，水铺展的代价变小，θ_Y 随之减小；当固体–液体接触难以替代固体–气体界面时，θ_Y 增大。

含氧官能团和带电位点使界面水形成有序水化壳层，低极性碳氢链和含氟链则降低水与固体之间的吸引强度。等离子体氧化、紫外臭氧和酸碱处理会通过羟基密度改变这个平衡。

图2. 阳离子交换云母膜的水接触角和离子水合调控结果。DOI：10.1038/s41467-020-14854-4

离子、缺陷和官能团对润湿性的影响并不限于“有无极性”。同一片层材料换成不同水合能力的阳离子后，层间水结构、表面电荷补偿和液滴边缘形态都会改变。较强水合能力可增加界面水稳定性，较弱水合能力则使水滴保持较大的曲率。

材料表面的局域电荷密度、可水合位点数量和官能团空间分布会共同决定水滴在纳米尺度上接触到哪些区域。同一组成的片层也可能因离子半径不同而呈现不同润湿速度。

真实表面存在台阶、孔洞、纳米线、颗粒和纹理，液滴并不总是接触完整固体。Wenzel 状态中，水进入粗糙结构，表观接触面积增加，cosθ^* = r cosθ_Y 表示粗糙度 r 会放大原有亲水或疏水倾向。

Cassie-Baxter 状态中，水滴部分坐在空气垫上，固体接触分数 f_s 降低，表观角度可显著增大。空气困在微纳纹理内部 是许多超疏水表面低黏附和易滚落的来源。纳米针、孔壁和颗粒边缘会共同影响固体接触分数。

图3. 硅微纳纹理表面形成超疏水状态的形貌和接触角结果。DOI：10.1038/s41598-018-37853-4

粗糙表面还会产生接触角滞后。前进角代表液滴前缘推进时遇到的能量状态，后退角代表液滴后缘离开固体时受到的钉扎阻力，两者差值越大，液滴越难移动。

超疏水表面如果只有高静态角度，却伴随很大的滞后和滚动角，实际排水和自清洁能力会下降。静态接触角、滞后和滑落角 描述的是不同运动状态下的润湿行为。三者共同影响冷凝、喷雾和膜分离中的液滴迁移。

温度升高会同时改变液体表面张力、固体表面吸附层和界面蒸汽行为。亲水微结构在常温下可迅速吸水，但在高温表面上，微孔内产生的蒸汽会支撑液滴并减少固液接触。此时材料化学仍然偏亲水，宏观表现却可能出现高接触角、悬浮液滴或延迟沸腾。

润湿性不是固定常数，它会随温度、压力、液体组成和界面相态发生变化。同一表面在室温测试和热工况测试中可能得到不同的液滴形态。

图4. 超亲水微结构表面的温度依赖非润湿状态和水滴形态。DOI：10.1038/ncomms3518

许多热管理和防冰材料正是利用这种状态切换。低温冷凝时，亲水区域促进成核和铺展；高温沸腾时，蒸汽膜、毛细补液和气泡脱附共同影响传热。

液滴处于 Wenzel、Cassie 还是蒸汽支撑状态，决定了实际接触面积、热阻和气泡生成位置。水相、气相和固体纹理之间的状态转换，是亲水/疏水材料在真实工况中表现差异的来源。

当亲水和疏水区域被设计成图案，液体会优先停留在低界面能路径上。亲水条带可固定水相边界，疏水背景可减少非目标区域的铺展；反过来，疏水区域也可作为气体保留区或防污染区。

微纳图案的作用并非单纯改变一个平均接触角，而是建立 液体选择性占位，使反应物、溶剂、气泡或油滴按空间位置分布。这种占位差异会改变微反应器中的液体边界和扩散距离。

图5. 超疏水和超亲水微图案基底控制液相打印与液体占位。DOI：10.1038/s41467-019-09042-y

这种空间控制在涂层、微流控、柔性器件和生物传感中都很常见。亲水微区可用于固定水相反应液、蛋白溶液或电解质液滴，疏水外区可阻止液滴横向扩散。

多孔材料中，亲水孔壁有利于电解液浸润和离子进入，疏水孔道可保留气体通量。液体在哪里停留、气体在哪里保留、界面在哪里形成，会直接改变后续传质和反应面积，孔径分布也会改变液体填充深度和气体渗透速度。

电催化电极常同时面对气体、液体和固体催化位点。析氢、析氧、CO₂ 还原和氮还原过程中，亲水性帮助电解液进入孔道并提供离子传输路径，疏水性帮助气体靠近活性位并降低孔道完全淹没的概率。

亲水/疏水比例影响三相界面长度，也影响局部 pH、溶解气体浓度、气泡黏附和产物离开速度。在高电流密度下，孔道水含量会影响反应物供应和欧姆损失。

图6. CO₂ 电解中催化剂层润湿状态、局部液体分布和产物输运关系。DOI：10.1038/s41467-023-39351-2

过度亲水的气体扩散电极容易发生液泛，气体通道被电解液占据后，CO₂ 或 O₂ 传输阻力升高；过度疏水的电极又可能让离子接触不足，界面电阻增加，局部干斑影响电流分布。

催化剂颗粒、离聚物、碳载体和疏水粘结剂之间的比例，决定了孔道中水相和气相的分布。电极润湿设计是一种界面传质调控，不是把表面做成越亲水或越疏水越好。电极配方通常要在离子通路和气体通路之间形成可重复的孔内分布。

实验上最常用的是水接触角，但水接触角只描述水在空气中的三相接触状态。油水分离、防污膜和水下界面还会测水下油接触角、油下水接触角和液体穿透压力。

亲水膜在空气中容易被水润湿，进入水相后可形成稳定水化膜，使油滴难以接触固体；低表面能疏水膜则常表现为空气中排水、对油相亲和。测试液体种类决定读数含义，水、油、电解液和有机溶剂不能混用同一套解释。分离膜研究还会记录液体穿膜压差和污染物残留量。

图7. 水和油在亲水疏油膜上的润湿行为与油水分离过程。DOI：10.1038/ncomms2027

在报告润湿性时，静态角度适合描述初始液滴形态，前进角、后退角和滞后可描述液滴推进与回缩过程，吸水时间适合描述多孔电极和膜的浸润速度。SEM 或 AFM 给出粗糙纹理，XPS 或 FT-IR 给出表面官能团和元素状态，接触角测量给出水滴宏观响应。

三类信息指向不同对象：形貌、化学组成和液滴行为。它们相互配合后，才可区分化学改性、粗糙度放大、污染层覆盖和孔道吸液造成的润湿变化。

亲水设计适合需要液体充分接触的场景，例如电解液浸润电极、膜表面抗油污、毛细补液、凝胶界面粘附和生物分子固定。疏水设计适合需要排水、防湿、保留气体、降低液滴附着或减少水相副反应的场景。

超疏水表面可让冷凝微滴合并后弹跳离开，降低液体驻留时间；亲水–疏水复合表面则能把成核、输运和脱附分配到不同区域。目标过程决定润湿窗口，材料表面需要服务于传质、反应和稳定性。长期运行时，表面化学稳定性和孔道排液能力决定润湿状态能否保持。

图8. 纳米结构超疏水表面的液滴合并和弹跳脱附过程。DOI：10.1038/ncomms3517

材料使用中还要把耐久性纳入润湿设计。低表面能分子层可能在电位、紫外、摩擦或高温下脱附；亲水氧化层可能被有机污染物覆盖；多孔电极在长时间工作后会发生盐析、气泡滞留或孔道液泛。

可靠的亲水/疏水判断应同时记录处理方法、测试液体、接触角滞后、表面化学和 循环前后变化。经过这些记录得到的润湿状态，才能对应到电极浸润、液滴脱附、抗污分离和界面反应速率等真实材料行为。