说明：本文华算科技系统阐释了亲水性与疏水性的本质区别、表征方法及调控机制，深入剖析表面化学与微观结构对润湿性的影响规律。读者可掌握通过官能团设计、粗糙度调控及外场响应等手段精准调控材料界面行为，为设计材料提供理论基础与实践路径。
什么是润湿性
表面润湿性是材料表界面物理化学属性的基本体现之一，其在涉及固–液–气三相界面的所有物理过程与化学反应中均具有基础性地位。
材料对水或其他液体的润湿能力不仅影响其宏观界面行为（如接触角、扩散行为、吸附过程），也深刻关联着其电子结构、表面能状态、化学官能团构型以及微观粗糙度等一系列参数。
图1. 水的本征润湿阈值（θIWT）是亲水性与疏水性的分界标准。DOI: 10.1021/acscentsci.8b00504
在润湿性分类体系中，亲水性（hydrophilicity）与疏水性（hydrophobicity）常作为一对相对概念被广泛研究。二者虽在表现上相互对立，实则构成了润湿行为连续谱的两端，其内在关联远超出“吸水”或“拒水”的简单二元描述。
深入理解其物理本质、理论框架及结构基础，对于表界面性质调控与功能材料设计具有关键意义。
什么是亲水性与疏水性
从热力学视角出发，润湿行为可通过液体在固体表面的铺展程度加以描述，其主要参数为接触角（contact angle, θ）。该角度定义为液滴边缘处液体–固体界面与液体–气体界面之间所夹的角度。根据经典Young方程：
γSG=γSL+γLGcosθ
其中，γsl、γsg与γlg分别为固–液、固–气与液–气界面张力。
基于该模型，通常以θ定义为“亲水”，θ>90°定义为“疏水”，而极端情况下，θ趋近于0°与180°分别对应超亲水与超疏水状态。然而需要指出的是，这种分类方式本质上仅为现象学定义，无法直接反映表面–液体之间真实的分子作用机制。
图2. 根据水接触角划分的不同润湿性状态定义。DOI: 10.1021/acsnano.4c18023
亲水性材料表面倾向于吸引水分子并形成稳定的界面结合态，其主要机制包括极性作用、氢键形成以及界面电荷相互作用等。疏水性则体现为材料表面对水的排斥倾向，其界面能主要受非极性作用、范德华力与界面张力主导，难以与水形成稳定的分子缔合态。
亲水性与疏水性的差异不应被简化为“可湿”与“不可湿”的二元判断，而应理解为能量最优化过程中表界面体系在结构与热力学状态上的不同趋向。
图3. 引入强极性亲水基团，制备超亲水性木基纤维素气凝胶包覆质子化纳米复合壳聚糖涂层(PPNC-CS)。DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c00845
亲水 VS 疏水
亲水性与疏水性的根本差异来自材料表面的化学组成与电子结构。
亲水性材料往往富含极性基团，如羟基（–OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH2）等，这些基团能与水分子形成强烈的氢键或偶极–偶极作用，显著降低界面自由能，并促进水分子的铺展行为。此类化学构型表现出较高的界面结合能和较强的水合能力。
疏水性表面则多由非极性或低极性官能团构成，如烷基链、芳香环结构、氟化碳链等，缺乏能与水分子形成方向性作用的电子分布特征。表面能低、界面相容性差是其主要特征。
在此基础上，疏水性不仅是化学性质的体现，也是一种分子尺度上的能量排斥表现，即系统趋于最小界面能态时，水分子倾向于减少与固体表面的接触面积。
此外，电子结构调控也在润湿性中发挥重要作用。例如，能带位置、电荷密度分布、表面态电子亲和性等参数将直接影响水分子的吸附位势与解离行为，进而决定润湿趋势。对于金属、金属氧化物及半导体等体系，表面态调控、掺杂或缺陷引入均可能导致润湿性质发生转变。
图4. 电子束辐照辅助调节亲水和疏水的涂层方法。DOI: 10.1039/D4IM00015C
表面粗糙度如何“放大”亲/疏水性？
除表面化学构型外，表面微观结构亦是决定润湿性的关键因子。理论与实验研究表明，在同样化学组成的前提下，粗糙度变化可显著放大材料的亲水或疏水表现。Wenzel模型和Cassie-Baxter模型为描述粗糙表面润湿行为提供了基本理论支持。
Wenzel模型认为，液体在粗糙表面上的实际接触面积因表面起伏增加而大于理想平面，从而使接触角放大：亲水表面表现出更低接触角，而疏水表面则更加拒水。Cassie-Baxter模型则描述了液体在疏水微结构上形成复合接触界面（即空气–液体–固体三相界面），导致接触角显著升高甚至接近180°。
图5. 粗糙度的放大效应：Wenzel态增加实际接触面积放大原有润湿性；Cassie-Baxter态形成复合界面显著升高表观接触角。DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b08567
因此，表面粗糙度并非独立决定因素，而是在与表面能、界面张力等参数耦合作用下，调控材料润湿行为的结构放大器。控制微纳结构形貌、构建分级结构或引入界面孔隙，可实现对润湿性的高精度调节。上述机制在纳米材料、膜材料及表界面催化剂设计中具有重要意义。
亲水与疏水可以切换吗？
在实际材料调控过程中，亲水性与疏水性常不是固定不变的属性，而是可以在一定结构或外场作用下实现转换的响应性特征。
常见的调控方式包括表面化学改性、等离子体处理、紫外照射、电场调控、pH调节、热处理等。这些手段通常通过改变表面官能团组成、电子结构或微观形貌，从而引导润湿状态的变化。
图6. 光致亲水转变：UV诱导金属氧化物表面态与吸附层重构，使界面自由能跨越局域极小值，完成亲/疏水态切换。DOI: 10.1038/s41467-023-44603-2
从热力学角度来看，润湿性转换对应的是界面自由能从一种局域极小值态向另一种极小值态的跃迁，其可逆性、响应速度与环境适应性构成材料“润湿智能性”的基础。例如，在界面催化体系中，材料对反应物或中间态分子的亲疏行为，将直接决定其吸附–转化行为的路径选择性与活化能屏障。
更进一步地，亲水性与疏水性并非完全对立，而应理解为表界面行为的一种连续变化。在多相体系或多组分材料中，表面可能同时存在亲水域与疏水域，形成所谓“润湿异质性”状态。
这一状态是高阶界面设计的重要维度，可通过精准调控实现定向吸附、反应路径控制或界面协同作用的构建。
图7. 耐溶剂异质润湿性纳米纤维膜的制备过程。DOI: 10.1016/j.advmem.2025.100135
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