汪大洋课题组：抗衡阴离子选择性调控的阳离子表面亲水性

mimang

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解释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，似乎我们没有注意到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，这或许我们喜闻乐见的疏忽。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。我们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，我们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，吉林大学汪大洋教授课题组与其墨尔本皇家理工大学、东南大学、长春建筑大学的合作者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，它可以允许我们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。这个发现提示我们氯离子（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解释，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，文章的第一作者是吉林大学的博士生陶琦，共同第一作者是墨尔本皇家理工大学的研究员黄舒博士。


      该文章作者为：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.


      文章来源：吉林大学
      汪大洋,吉林大学教授，国际胶体界面科学领域知名学者，英国皇家化学会会士（FRSC）。1993年于吉林大学化学系获得高分子材料本科毕业。1998年吉林大学化学系获得高分子化学与物理博士毕业。1999年，在香港科技大学机械工程系David C. C. Lam教授研究组做博士后研究。1999年起，开始在德国马普胶体界面所Helmuth Möhwald教授领导的界面部工作。1999年10月至2003年6月在Frank Caruso 教授的研究小组做博士后研究。2010年－2015年在澳大利亚南澳大学Ian Wark研究所任物理化学终身研究教授 。2015年7月起在皇家墨尔本理工大学任化工系终身教授 。2016年8月起在吉林大学化学学院任特聘教授。主要研究方向包括：水、气、离子和粒子的界面行为；表面润湿和粘附；相转移；粒子分散与聚集；界面相分离；界面催化；酶等生物材料的包埋；穿越生物界面的药物传送；环境治理和修复以及废物废能资源再利用。在截至目前已发表4个学术专著章节和128余篇高水平的研究论文，其中30%以上发表在化学和材料科学领域顶级杂志上（影响因子> 10），其中Angew. Chem. Int. Ed. 13篇。共被引用约5600次，H指数为42。