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抗衡阴离子选择性调控的阳离子表面亲水性
365bet官网地址: 2020-06-19 08:10  点击:

早在19世纪末Franz Hofmeister等人就发现了不同离子对生物分子具有不同影响,并根据电解质在水中沉淀蛋白的能力,对不同类型的电解质进行分组,排序。随着后人对电解质水溶液的物理化学行为更为深入精细的探索,Hofmeister所建立的电解质序列得到了不断地完善和校正,成为现今最广为接受的评判和说明不同离子水合能力强弱的标准。或许因为Franz Hofmeister的文章的德文过于古旧,过去一百多年来,似乎大家没有注意到Hofmeister所建立的不同类型电解质的序列而不是不类型离子的序列。当然,这或许大家喜闻乐见的疏忽。因为为了保持系统整体的电中性,阳离子和阴离子总是形影不离,相伴相随的存在,所以在完全脱离其抗衡离子的干扰的情况下,选择性地研究某种离子在水中的物理化学行为近乎是不可能完成的任务。大家今天所有关于阴离子和阳离子的认知均来建立在它们对离子对,即电解质,的物理化学行为的贡献具有独立性和加和性,进而借助理论模型,将所观测的离子对的性质拆分成阴离子和阳离子的性质。也就是说,大家今天所有关于离子物理化学性质的理解均取决于用于拆分阴阳离子贡献的理论模型的准确性。因此,无论是离子的Hofmeister序列还是其它关于离子与水分子相互作用的相关的离子分类和排序,时至今日,依然是无直接实验证明的半经验的理论猜想。

近日,365bet官方网站汪大洋教授课题组与其墨尔本皇家理工大学、东南大学、长春建筑大学的合编辑一起基于阳离子表面水驱动的油去润湿行为,首次从实验上选择性地分析不同阴离子的水合能力的差异。基于聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMA-Cl)的季铵盐重复单元的特殊的各项同性的分子构型和季铵盐独有的无水合层的特点,汪大洋教授团队设想PDADMAC阳离子模型表面的表面的亲水性主要反映其表面抗衡阴离子,氯离子(Cl-)的水合能力。借此,通过简单的表面离子交换,所制备的PDADMA-Cl的氯离子可以被一系列阴离子替换。通过分析携带不同表面抗衡阴离子的PDADMA表面水驱动的油去润湿性,表面抗衡阴离子可以很容易分成两类,一类如硫酸根离子(SO42-)可以实现水驱动的油完全去润湿性,即(水驱)自清洁,而另一类如氯离子(Cl-)在水驱动下可以牢固地吸附油滴,即(水下)油粘附。从表面技术层面上,这个实验发现提供了可能是目前最为简便的实现表面自清洁的涂层技术,它可以允许大家简易便捷地构筑各种具有自清洁功能的滤膜,比如用于油水分离。

出乎意料的是,这种基于表面水驱动的油去润湿行为对阴离子的分类与1929年Jones和Dole基于电解质水溶液粘度对阴离子水和能力的猜测相吻合。Jones和Dole通过拟合电解质水溶液粘度与电解质浓度的关系提出了了一个重要的离子粘度B系数(Bh)。他们从理论上预测阴离子的Bh为正值的阴离子水合能力强,而阴离子的Bh为负值的阴离子水合能力弱,这与汪大洋教授团队的实验结果完全一致。有趣的是,尽管氯离子(Cl-)的Bh在室温是负值,不过随着周围水环境的温度超过35℃变成正值。伴随氯离子(Cl-)的Bh的符号随着温度由负变正,PDADMA-Cl表面也相应地油水下可以牢固吸附油滴表面转变为可实现自清洁的表面。这个发现提示大家氯离子(Cl-)的独特性,特别是结合人体的36 - 37℃体温范围一起考量,深入的探索温度对氯离子水合能力的影响或许可以说明,解决众多与盐摄入相关的生物化学和病理健康问题提供更深层次的物理化学基础。

相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition上,文章的第一编辑是365bet官方网站的博士生陶琦,共同第一编辑是墨尔本皇家理工大学的研究员黄舒博士。

该文章编辑为:Qi Tao, Shu Huang, Xu Li, Xue-Feng Chu, Xiaoling Lu, and Dayang Wang

Counterion-Dictated Self-Cleaning Behavior of Polycation Coating upon Water Action: Macroscopic Dissection of Hydration of Anions,Angew. Chem. Int. Ed.2020.

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