研究背景：
尽管反复清洗玻璃片，但在一些特定区域，残留水渍，反而用湿润的报纸擦拭会更为干净? 此外，你是否注意到水滴落在带有灰尘的固体表面上，似乎总是沿着一些不规则的路径前进?又比如，在同一块聚合物样品上反复测量接触角，结果却越来越小?还有在超疏水材料表面上的水滴弹跳，为何总是比预计的衰减得更快?这些看似不相关的问题似乎都与一个我们不太熟悉的概念—固液界面接触起电现象有着千丝万缕的联系。
润湿性,即液体在固体表面的铺展能力。从日常生活中雨滴在雨伞上的顺滑滚落，到工业生产中钢铁淬火工艺的精确控制，润湿性都发挥着举足轻重的作用。与此同时，当液体与固体表面接触时，电荷在两者间发生转移，也会对界面的物理与化学特性产生影响。科学家们已经在超润湿结构的构建方面取得了显著进展，但对于固液界面电荷转移对润湿性的影响关注却相对较少。将润湿性与接触起电这两个看似独立的研究领域相结合，不仅有助于我们更全面地理解固液界面的复杂润湿行为，还可以推动接触起电与其他领域的交叉融合，为发现新奇现象和潜在的应用奠定基础。
文章概述：
近日，中国科学院北京纳米能源系统研究所的王中林院士团队在这一领域取得了重要突破。他们发现，当水滴在固体表面铺展时，伴随着的电荷转移会自发地引起固体润湿性的变化。这一现象被称为接触电致润湿效应（CEW）。为了深入研究这一效应，他们利用开尔文原子力显微镜和接触角测量仪对24种不同的介电薄膜材料进行了表征。通过测量这些材料与水滴接触起电前后的静态接触角和表面电荷密度，他们发现接触角的变化量与转移电荷密度之间存在强烈的依赖关系。值得注意的是，CEW效应对不同材料的接触角改变量可达5°~38°，显示出其显著的润湿调控能力。通过对固液界面电信号和动态接触角的同时观测，该团队进一步证明了接触起电对动态润湿过程的影响。分子动力学和从头算的结果揭示了CEW效应的机理：摩擦电荷的积累增强了水和基底间的分子间相互作用，从而导致润湿性增强。该研究成果以“Spontaneous wetting induced by contact-electrification at liquid-solid interface”为题，发表在《Advanced Materials》上。论文的第一作者为博士研究生唐臻，其他合作者包括重庆大学郭恒宇教授，北京化工大学杨丹教授，以及通讯作者林世权副研究员和王中林院士。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202400451
图1 CEW效应概念示意图
如图1所示，为了研究接触起电和润湿性之间的关系，利用接触角测量仪和开尔文原子力显微镜对的静态接触角和表面电势进行了表征。研究表明经过水滴接触起电的介电聚合物薄膜，其表面电荷量随液滴接触次数的增加而增加，但同时接触角不断下降。这意味着接触起电能够改变固体的润湿性。
图2 基于摩擦纳米发电机的材料选择指南
为了验证CEW效应的广泛性，需要对不同材料进行了测试。通过梳理2012年至2020年间大量基于摩擦纳米发电机的研究报道，整理出了一份详尽的材料数据库，其中涵盖了1400篇文献中报道过的所有相关材料，并按其使用频率进行了排列，并对每种材料的来源，加工，应用场景进行了分类，并最终可视化呈现了材料数据库（图2）。为不同领域和界面的材料选择提供了科学的指导依据。
图3 CEW效应对不同介电材料的影响，以及接触角和表面电荷密度关系
在进一步的研究中（图3），作者从统计的材料库中选择了24种在固液界面使用最多的介电聚合薄膜材料进行了测试。结果表明，接触起电可能导致不同材料的接触角产生显著变化，变化范围可达到9-48%。实验结果不仅验证了接触起电致润湿的广泛性，还表明不同材料的表面电荷和接触角改变量之间存在的线性关系。这一发现对于理解润湿性的调节机制具有重要意义，使得接触起电成为影响固液润湿领域一项不可忽视的因素。
图4 CEW效应对动态润湿过程的影响
此外，通过对固液界面电信号和接触角的同步表征，研究发现液滴在固体表面铺展的同时，伴随着明显的电荷转移（图4）。通过对单个液滴在表面进行反复润湿的实验，他们发现随着表面电荷的增加，动态润湿性质显著受到影响。比如，在CEW效应作用下，前进角的改变量远远大于后退角，此外液滴的接触线的移动速度对电荷转移起到了非常重要的作用。液滴在固体表面的铺展导致接触起电，而接触起电引起的电荷转移又反过来增强固体润湿性。
图5 CEW效应的原理
研究进一步深入剖析了接触起电致润湿效应的具体机制，并指出该效应主要包含两个核心步骤。首先，液固界面通过接触起电，固体表面会沉积一定量的摩擦电荷。这些电荷的存在为后续的润湿现象奠定了基础。其次，当固体表面再次与水滴相遇时，这些摩擦电荷会吸引水中带有相反电荷的离子和极性分子。这种相互作用进一步降低了固液界面之间的张力，促进了润湿的发生。分子动力学模拟表明在带电表面上，液滴的接触角明显减小，这意味着表面更容易被润湿。此外，从头算的结果显示，水和基底之间的氢键相互作用得到了增强，这直接导致了界面张力的降低。通过检测固体表面电荷，可以得到一个重要推论：当固体表面几乎不带电或电中性时，物体的润湿性最低。相反，当固体接触起电且表面电荷接近饱和时，润湿性最高。
总结：
这项研究证实了接触电致润湿效应（CEW）的广泛存在，并揭示了其对润湿性产生的深远影响。实验结果显示，在众多聚合物材料中，接触角的变化与表面电荷密度之间存在依赖关系。固体表面电荷的积累会显著地降低其润湿性。并且，当接触起电作用增强润湿性时，润湿性的提升又会通过扩大接触面积来反过来促进接触起电的效果。这种方法有潜力成为润湿传感器的一种创新型、非侵入式的检测手段：通过检测表面电荷来间接反映润湿性。此外，研究还探讨了为何在传统的液滴式摩擦纳米发电过程中，电荷会在达到饱和之前经历一个快速的指数积累阶段。同时，在该实验观察中，接触角的饱和现象很可能是由于绝缘膜表面电荷的饱和所导致。进一步地，实验发现表面电荷的饱和会阻碍界面上的电荷进一步交换，这可能是导致接触角饱和的一个重要因素。值得一提的是，该项研究为接触起电与润湿性的交叉学科研究开辟了新的探索路径。而其潜在的应用价值并不仅限于固液系统，更可以扩展到包括气液和液液等润湿界面。因此，将来在能源、材料科学以及生物学等多个领域，可能会发现更多基于这一独特现象的创新应用诞生。
