[论文解读] Hydrophobic Interactions and Dewetting between Plates with Hydrophobic and Hydrophilic Domains

Lan Hua, Ronen Zangi+1 more|ArXiv.org|Oct 11, 2008

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟表明，纳米尺度平板之间的疏水相互作用和脱湿转变对疏水与亲水区域的空间分布极为敏感。研究发现，大尺度疏水簇会诱导溶剂介导的吸引力和脱湿现象，而均匀分布则导致排斥作用，挑战了疏水效应的可加性假设以及卡西方程在预测临界脱湿距离时的适用性。

ABSTRACT

We study by molecular dynamics simulations the wetting/dewetting transition and the dependence of the free energy on distance between plates that contain both hydrophobic and hydrophilic particles. We show that dewetting and strength of hydrophobic interaction is very sensitive to the distribution of hydrophobic and hydrophilic domains. In particular, we find that plates characterized by a large domain of hydrophobic sites induce a dewetting transition and an attractive solvent-induced interaction. On the other hand, a homogeneous distribution of the hydrophobic and hydrophilic particles on the plates prevents the dewetting transition and produces a repulsive solvent-induced interaction. We also present results for a kind of Janus interface in which one plate consists of hydrophobic particles and the other of hydrophilic particles showing that the inter-plate gap remains wet until steric constraints at small separations eject the water molecules. Our results indicate that the Cassie equation, for the contact angle of a heterogeneous plate, can not be used to predict the critical distance of dewetting. These results indicate that hydrophobic interactions between nanoscale surfaces with strong large length-scale hydrophobicity can be highly cooperative and thus they argue against additivity of the hydrophobic interactions between different surface domains in these cases. These findings are pertinent to certain protein-protein interactions where additivity is commonly assumed.

研究动机与目标

• 研究纳米尺度平板上疏水与亲水区域的空间排列如何影响水的结构及板间相互作用。
• 确定卡西方程是否能准确预测非均质表面上的临界脱湿距离。
• 评估在复杂非均匀表面上，疏水相互作用可加性的有效性。
• 探讨两亲性平板间协同作用在溶剂诱导力中的角色。
• 考察亲水性强度对脱湿动力学和自由能分布的影响。

提出的方法

• 对具有不同疏水与亲水粒子分布的两块平板之间受限水的分子动力学模拟。
• 通过计算平均力势（PMF）来量化溶剂介导的板间相互作用。
• 使用部分电荷和Lennard-Jones势函数模拟疏水与亲水粒子与水的相互作用。
• 系统性地改变疏水区域的尺寸与分布（簇状 vs. 均匀分布），以探测结构与能量响应。
• 分析界面水的结构，包括贯穿薄膜的涨落与分层行为，以识别脱湿前兆。
• 对比Janus界面（一端疏水，一端亲水）在不同亲水性强度（部分电荷大小）下的表现，以评估水的钉扎效应与能垒形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 疏水与亲水区域的空间分布如何影响两块平板之间的脱湿转变？
• RQ2 对于具有大尺度疏水性的非均质表面，卡西方程能否准确预测临界脱湿距离？
• RQ3 具有簇状分布与均匀分布的疏水区域的平板之间，溶剂诱导的相互作用（吸引或排斥）性质为何？
• RQ4 在一块平板上增强亲水性如何影响界面水的稳定性及脱湿的发生？
• RQ5 由于大尺度疏水表面中协同效应的存在，疏水相互作用在多大程度上表现出非可加性？

主要发现

• 在平板上存在大尺度疏水簇时，会诱导脱湿转变并产生板间吸引力，而疏水与亲水粒子均匀分布则导致排斥性溶剂诱导相互作用。
• 吸引与排斥相互作用模式之间的自由能差可达约~230 kJ/mol，表明区域分布具有强烈定性和定量的影响。
• 卡西方程无法准确预测具有大尺度疏水性的表面的临界脱湿距离，表明其在协同疏水效应下失效。
• 对于具有强亲水性平板（Q = 0.8 e）的Janus界面，在小间距下水被有效钉扎，抑制了脱湿并形成了与溶剂分隔层相关的自由能垒。
• 即使在无脱湿转变的情况下，中等亲水性（Q = 0.4 e）的Janus界面仍表现出与干燥系统相似的吸引性PMF，表明溶剂介导的吸引力持续存在。
• 结果表明，大尺度疏水表面中的疏水相互作用具有高度协同性与非可加性，挑战了蛋白质相互作用建模中常见的假设。