科學家揭示方解石、石英和蒙脫石礦物表面潤濕特性
潤濕現象是自然界普遍存在的界面現象，例如，荷葉之所以“出淤泥而不染”是因為水滴在超疏水結構的荷葉表面無法鋪展，進而在滾動過程中帶走灰塵，達到自清潔的目的。正是由于材料表面獨特的理化性質，潤濕性被廣泛應用于人類生活的各個方面。有報道稱一些科學家研制出內層超親水、外層超疏水功能的防水服，從而達到吸汗防潮、快速去污的目的；將超疏水納米涂層應用到航空航天器表面，既能帶走污染物，還能減緩表面結冰、提高耐腐蝕性能。粘土礦物廣泛分布于地球表層系統，是迄今為止應用最為廣泛的非金屬礦物材料。粘土礦物與地質流體間的相互作用顯著影響著多種地質地球化學過程和地質工程。近年來，對礦物表面潤濕特性的研究備受關注和重視，蒙脫石遇水膨脹的特性直接決定其作為核廢料及重金屬污染物的吸附和封存材料的適用性以及石油鉆井作業的安全性，其潤濕性顯著影響油氣的生成、運移、富集過程，還顯著影響CO2驅油技術的有效性和地質封存CO2的安全性。衡量礦物潤濕性最直接的度量標準是平衡接觸角（θE）。實驗上θE測量的準確性受溫度、壓力、礦物表面結構、流體成分等多種因素的影響，因此，直接測量θE仍然具有挑戰性。
分子動力學（MD）模擬方法能克服在樣品制備和清潔中導致接觸角測量不準的局限性，并且能深層次解釋水分子和礦物之間相互作用的分子機制。近期，武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室和武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室的研究人員使用MD模擬和理論分析量化了水-礦物的相互作用、礦物潤濕性以及礦物表面水分子的結構和擴散特性，在分子尺度上解釋了礦物潤濕現象。該工作以 “Molecular Origin of Wetting Characteristics on Mineral Surfaces” 為題發表在Langmuir上。
MD模擬利用牛頓運動定律來計算系統中每個原子的受力情況，從而預測每個原子隨時間變化的位置，被廣泛用于量化礦物的潤濕特性。然而，受計算效率和資源的限制以及線張力引起的尺寸效應，模擬結果的誤差較大。該研究團隊人員選用具有不同結構和化學性質的三類無機礦物：方解石、石英和蒙脫石以及一種有機物質干酪根，建立了一套MD模擬，對方解石、石英和Na+分布在與水分子接觸一側的蒙脫石具有強親水性，干酪根具有弱親水性，葉蠟石、Na+分布在不與水分子接觸一側的蒙脫石具有疏水性的潤濕特征進行了驗證，并對液滴在干酪根、葉蠟石和疏水性蒙脫石的表面上達到平衡的時間短于而方解石和石英的現象作出了解釋。結果表明，引入同晶取代和電荷平衡反離子不僅改變了礦物的潤濕性，而且還改變了動態擴散過程。如果電荷平衡反離子分布在與水分子直接接觸的一側，礦物的潤濕性會顯著增強。同時，由于電荷平衡反離子對水分子的吸引力，前驅體膜傾向于在礦物表面上形成，并向前擴散。然而，如果電荷平衡反離子不與水分子直接接觸，則液滴逐漸變成錐形，呈現出垂直電場作用下的潤濕現象。研究人員還對水分子的擴散特性與潤濕行為之間的關系進行了研究；結果顯示，水分子在強親水性礦物表面上的相應擴散能力受到嚴重限制，接觸線以“滾動模式”前進；相反，弱親水性礦物表面的水分子具有很強的擴散能力，接觸線以“跳躍模式”前進。“跳躍模式”和“滾動模式”之間的主要區別是潤濕過程中固液摩擦系數的變化，進而改變了接觸線的運動狀況。這解釋了液滴在干酪根、葉蠟石和Na+分布在不與水分子接觸一側的蒙脫石表面達到平衡的時間要短于在方解石和石英的表面達到平衡的時間。
該研究不僅通過礦物表面的結構特征為液滴潤濕動力學提供了理論基礎，對研究重金屬陽離子通過溶解、凝聚、沉降等各種反應形成的存在形態在污染治理方法的探索方面也具有重要意義。值得關注的是兩種類型的蒙脫石僅在鈉離子的分布方面不同，卻在液滴潤濕過程顯示出明顯相反的特性，因此，在深層次分析粘土礦物的潤濕性時，探究同晶取代和電荷平衡反離子對其表面潤濕特性的影響具有重要的現實意義。此外，通過快速測量巖石潤濕性以評估二氧化碳捕獲能力和封存安全性，從而對按期實現“雙碳”目標也具有參考價值。
(AMSC ＆ QYIM Y.R. Yin編報，C.L. Liu初審，Z.Z. Wang二審，J.Y. He終審)
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