一种利用多重氢键作用调控基底表面浸润性的方法

本发明涉及表面浸润。更具体地，涉及一种利用多重氢键作用调控基底表面浸润性的方法。

背景技术：

1、水和表面之间的相互作用在许多物理、化学和生物过程中都发挥着重要的作用。从分子水平的角度研究这种相互作用不仅能够加深我们对于基础理论及表面性质的理解，也能够促进固体材料界面性质在很多现实生活中的应用如浸润、吸附粘附、油水分离和液体定向运输等等。然而，目前为止，对基底表面润湿性的研究主要围绕界面能及界面粗糙度展开，而围绕界面水分子与固体表面间相互作用的研究仍相对匮乏，因此，需要提供一种从分子结构角度调控宏观浸润性的方法。

2、氢键是表面作用力的一种重要存在形式，以往的研究发现固体表面的氢键作用力会影响界面处水分子的结构，如velasco v.等人发现与金相接触的水分子不能完全保持体相水中的氢键数目,发生氢键结构的破缺以及与金的电子耦合(参见：the structure ofinterfacial water on gold electrodes studied by x-ray absorptionspectroscopy.velasco-velez j j,wu c h,pascal t a,et al.science,2014,346:831-834.)；tian z.等人探测到金表面上在电化过程中界面水构型的转变，对应氢键数目不同，这对揭示界面反应的机理有重要意义(参见：in situ probing electrified interfacialwater structures at atomically flat surfaces.li c y,le j b,tian z q,et al,nature materials 2019,18,697-701.)。这些结果表明，界面水的结构与表面的约束有关，约束越强，会导致体相水重新组装自身的氢键网络，进而引起界面水取向排布。利用界面水的排布转变开发出一种新的调控基底浸润性变化的方法，以弥补从分子尺度解释并调控表面宏观浸润性的空白。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用多重氢键作用调控基底表面浸润性的方法。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明提供一种利用多重氢键作用调控基底表面浸润性的方法，包括以下步骤：

4、修饰基底：利用液相浸泡法，将能够形成多重氢键的长链分子的一端通过共价键固定在基底表面，使得基底表面形成含多重氢键的自组装单层膜，获得修饰后的基底；

5、浸润性调控：利用液相浸泡法，将碳原子数小于7的短链烷烃通过共价键固定在所述修饰后的基底表面，基底呈现亲水状态；将呈现亲水状态的基底进行热退火处理，破坏所述自组装单层膜的多重氢键，基底呈现相对疏水状态；将呈现相对疏水状态的基底浸泡于ph值为7-7.5的缓冲溶液中，自组装单层膜的多重氢键被修复，基底再次呈现相对亲水状态。

6、优选地，根据浸润性需求所述浸润性调控的步骤可以多次全部重复操作，或者部分重复。

7、需要说明的是，本发明将长链分子通过共价键作用，固定在基底表面，此时长链分子间在限域水分子的诱导下形成为多重氢键，但是长链分子由于长度或其他弱键合作用极易“倒塌”在基底表面，因此，虽然形成了多重氢键，但是其界面水分子的排列还较为无序，本发明将短链烷烃通过共价键作用固定在基底表面，占领长链分子“倒塌”在基底表面的位置，使得长链分子保持直立状态(示意图见图9所示)，有序的排布在基底表面。此时，长链分子间的多重氢键在通道距离和基团作用的双重限制下使得长链分子的链间存在限域水，该限域水可诱导界面水分子有序排列，从而降低基底的接触角，宏观表现为亲水。其次，将呈现亲水的基底进行热退火处理，多重氢键暂时断裂，限域水结构被破坏，导致界面水分子有序性降低，基底接触角增大，宏观表现为相对疏水。这里的相对疏水指的是相对于进行退火处理前的呈现亲水的基底而言，即退火处理后的基底的接触角大于呈现亲水的基底的接触角，就可以称为相对疏水。

8、根据本发明的具体实施方式，所述基底的粗糙度可根据需要选择，基底粗糙度越大，得到的基底亲水性越强，基底粗糙度越小，得到的基底亲水性越弱，因此，对于基底粗糙度不同，碳原子数小于7的短链烷烃通过共价键固定在所述修饰后的基底的表面，能够呈现较亲水到亲水之间的任意调控。

9、进一步，所述长链分子为聚合物分子、氨基酸分子、多肽分子或dna分子中的一种或多种。

10、进一步，所述dna分子为不同碱基排列的dna分子或单链dna分子。

11、进一步，所述单链dna分子包括聚腺嘌呤单链dna(poly d(a))、聚胸腺嘧啶单链dna(poly d(t))、聚鸟嘧啶单链dna(poly d(c))、聚胞嘧啶单链dna(poly d(g))中的一种或多种。

12、根据本发明的具体实施方式，所述能够与水形成多重氢键的长链分子中含有氨基、羧基、羟基、酰胺基、羰基中的一种或多种基团。

13、进一步，所述短链烷烃为直链烷烃。优选为碳原子数为2-6的直链烷烃。

14、进一步，所述缓冲溶液为te缓冲溶液或磷酸盐缓冲溶液。其中，所述te缓冲溶液由tris和edta配制而成。

15、优选地，所述在缓冲溶液的浸泡时间为10小时-24小时。

16、进一步，所述退火处理的条件为：温度为95-105℃，时间为0.5-1小时。其中，共价键一般是两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定的化学结构，在本发明的退火处理的温度范围内，氢键可以断裂，但是共价键不会遭到破坏。

17、根据本发明的具体实施例，利用液相浸泡法将所述短链烷烃通过共价键固定在所述修饰后的基底表面的过程中，所用溶剂只要不影响氢键结构可以根据需要选择，可以是水也可以是缓冲溶液等。

18、进一步，修饰基底步骤中，所述液相浸泡法的条件为：浸泡的时间为0.5小时-2小时，优选为0.5-1小时。其中，长链分子固定在基底表面的数量及链间距可以通过所述浸泡的时间进行控制，而长链分子间的间距过大或过窄都会影响限域水诱导界面水分子的排列。

19、进一步，浸润性调控步骤中，所述液相浸泡法的条件为：浸泡的时间为0.5小时-2小时，优选为0.5-1小时。其中，短链烷烃固定在基底表面的数量可以通过所述浸泡的时间进行控制，短链烷烃的数量过多或过少，都会影响限域水诱导界面水分子的排列。

20、进一步，所述基底的材质为金、石英、硅、玻璃中的任一种或者其组合。其中，所述基底的材质根据要构建的共价键类型进行选择。例如，当所述基底为金、表面具有金膜的石英、表面具有金膜的硅、表面具有金膜的玻璃中的任一种，相对应的，所述长链分子的一端可以为巯基(-sh)，此时共价键为-au-s-，当所述基底表面修饰氨基的金、石英，硅，玻璃中的任一种，相对应的，所述长链分子的一端可以为羧基，此时共价键为-co-nh-。

21、另外，如无特殊说明，本发明中所用原料均可通过市售商购获得，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

22、本发明的有益效果如下：

23、1、本发明的方法利用分子间多重氢键作用构筑了一个限域水诱导界面水有序排列的体系，实现了从界面水角度调控基底表面的浸润性的目的。

24、2、本发明成功从界面水结构角度分析了氢键作用对固体表面宏观浸润性的影响因素，弥补了从分子尺度解释并调控宏观浸润性的空白，实现了宏观浸润性的转变。

25、3、本发明提供的方法操作简单，可控性强，所用原料少，成本低。