疏水还是疏油,终究还是个能量问题,是“固体-气体-液体”或者“固体-液体-液体”(如水下疏油)三相之间所能达成的一个能量最低最稳定的状态。然后要认真考虑这其中的能量状态又要涉及很复杂的力学计算。。。但有几种情况可以明确给出答案,如下:
当我们谈论液体在固体表面的浸润问题时,必然要涉及到三个相,其中材料本身是固体相,另一个相是被研究的液体,液体相,最后一个相,可能是空气(不同气压,甚至真空都是可能需要考虑的),也可能是另外一种不与前一个液体互溶的液体,最常见的是水。
在空气中的疏水固体表面涉及到两个基本因素:第一是固体的表面能,或者是表面修饰了什么样的化学基团,这些基团是疏水的,那么就能疏水,但也有可能是疏水又亲油的,那基本就会亲油,基本上修饰上很长的碳氢链就会疏水亲油,碳氟链则疏水又疏油;第二是固体表面的粗糙度或者微结构,分为无序的粗糙表面和有序的人工微结构。现在大部分研究工作都是在想办法在一个粗糙的表面修饰成低表面能的,说起来相当一部分都是水文啊,简单粗暴的重复啊。。。但也有一种路线是只去制造一个有序的微结构而不进行任何化学修饰,表面能只决定于所用材料。这种材料一般能疏油就会疏水,能疏水的不一定能疏油,取决于微结构本身的参数和液体的表面张力,当然油的表面张力比水小。
还有一种情况是可以疏几乎一切液体的(既疏水又疏油),14年年底Science的一篇文章做出一种下图一样的结构,这种结构能够支撑本征接触角为零的液体,所以几乎一切液体都可以啦,例外只有能和二氧化硅反应的东西啦,例如氢氟酸(因为它上面的帽子是二氧化硅的。。)
维基Wetting给了一个很笼统的图表:
但Wetting实际上是一个用液-气,液-固界面来代替固-气界面的过程。最准确的方式是比较
$\gamma_{LS}+\gamma_{LG}$ 和$\gamma_{SG}$的大小,也就是看spreading parameter 的正负。
可是除了$\gamma_{LG}$(液体表面张力),其它都比较难测。
可以估计的是$\gamma_{SG}$(固体表面张力),按照它的高低,固体可以分为高表面能(金属,玻璃,金属氧化物)和低表面能(塑料,石蜡)固体。见维基Wetting的High-energy vs. low-energy surfaces条目。
对于高表面能的固体,表面能普遍较低的液体在其上铺展是有利的,一般来说较容易被浸润(亲水又亲油);对于低表面能的固体,液体能否铺展要看液体的表面能是否会高于固体,比如水的表面张力就高于石蜡,因此石蜡表面疏水不疏油。(这是我在另一个答案里说“通常来说疏水不一定疏油,疏油一定疏水”的依据。
但是要看到,关于固体表面能的讨论并没有涉及$\gamma_{LS}$ 一项(固体-液体表面能,由固体-液体相互作用 决定)。最靠谱的方式是直接通过计算范德华力算出接触角。
还有一些液体无法在高表面能固体上铺展涉及一些具体过程。比如有一大堆autophobic liquids,表面看起来它们不能浸润金属,其实它们不能浸润的是自己吸附在金属上的单分子膜。另外某些酯类能浸润金属却不能浸润玻璃,原因是它们吸附在玻璃上就水解成酸,形成一层自己浸润不了的单分子层。
“荷叶效应”带来的超疏水,和粗糙度有关。见维基Wetting的Non-ideal rough solid surfaces条目。因此我对于“双疏表面”的设想是:带有纳米表面结构的聚四氟乙烯......