太赫兹特定频率电场控制水层上液滴的润湿性

  润湿现象在自然界中无处不在，“疏水性”和“亲水性”是用于描述表面在接触液态水时的润湿性。在分子层面上理解润湿现象对许多领域至关重要，例如在物理学中的表面粘附、固液界面摩擦和蒸发，在化学中的腐蚀，以及在生物学中的蛋白质折叠和组织扩散。因此，为了满足许多技术应用的需求，人们已经开始操纵表面的疏水性或亲水性，例如用于电润湿的介电纳米层和疏水纳米涂层。 

  上海大学理学院研究员王春雷、香港城市大学曾晓成教授、北京大学常超研究员和上海理工大学朱智教授，以FCC模型表面的（100）面为例，基于分子动力学模拟展示了一个具有特定频率32.9 ± 1.0 THz的外部交替电磁场（EM）刺激可以容易地、可逆地、远程地将常温下“不完全浸润的有序单层水”存在的表面润湿性从疏水转变为超亲水。存在一个交变电场刺激强度的临界阈值，超过此阈值，表面润湿度可以动态控制。这种动态控制机制归因于有序水层的独特太赫兹解离频率，这与体相水截然不同。超过临界阈值的电磁场刺激可以通过将能量以显著共振的方式传递给单层水内水分子的旋转动能，破坏其有序氢键网络。因此，转移的能量增加了水单层中水分子与其上上方水分子间形成氢键的机会。与紫外辐射引起的表面化学破坏不同，该方法旨在通过太赫兹电磁场刺激物理调节有序邻近氢键网络，并控制固体表面的润湿性。这一模拟证据为通过太赫兹电磁场场与有序界面水的解离耦合调节材料润湿性提供了一种可逆、长距离和环境友好的策略。

  2009年，王春雷等理论预言了常温下不完全浸润的有序单层水现象（Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 137801），较多课题组在理论和实验上在不同材料中均发现该现象，如重金属Pt和Pd、金属氧化物TiO2和羟基化的CeO2、氧化物SiO2和Al2O3，PTFE以及滑石和羧基自组装单分子层表面等，表明该现象广泛存在，因此，我们的Thz调控润湿性应有普适性。此外，有序的水层在生物表面上也常见，可能在生物功能中发挥重要作用，例如在神经系统中生成和传导太赫兹信号。因此，我们的研究还揭示了EM场在开发水收集装置、生化反应和神经系统信号传导中的潜在应用。

  研究工作得到国家自然基金、太赫兹生物物理创新实验室、“新基石科学基金” 、国家重点研发计划和上海新星计划的资助，研究成果发表在2024年Nano Letter上（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.4c00248）。