科学家揭示方解石、石英和蒙脱石矿物表面润湿特性
润湿现象是自然界普遍存在的界面现象，例如，荷叶之所以“出淤泥而不染”是因为水滴在超疏水结构的荷叶表面无法铺展，进而在滚动过程中带走灰尘，达到自清洁的目的。正是由于材料表面独特的理化性质，润湿性被广泛应用于人类生活的各个方面。有报道称一些科学家研制出内层超亲水、外层超疏水功能的防水服，从而达到吸汗防潮、快速去污的目的；将超疏水纳米涂层应用到航空航天器表面，既能带走污染物，还能减缓表面结冰、提高耐腐蚀性能。粘土矿物广泛分布于地球表层系统，是迄今为止应用最为广泛的非金属矿物材料。粘土矿物与地质流体间的相互作用显著影响着多种地质地球化学过程和地质工程。近年来，对矿物表面润湿特性的研究备受关注和重视，蒙脱石遇水膨胀的特性直接决定其作为核废料及重金属污染物的吸附和封存材料的适用性以及石油钻井作业的安全性，其润湿性显著影响油气的生成、运移、富集过程，还显著影响CO2驱油技术的有效性和地质封存CO2的安全性。衡量矿物润湿性最直接的度量标准是平衡接触角（θE）。实验上θE测量的准确性受温度、压力、矿物表面结构、流体成分等多种因素的影响，因此，直接测量θE仍然具有挑战性。
分子动力学（MD）模拟方法能克服在样品制备和清洁中导致接触角测量不准的局限性，并且能深层次解释水分子和矿物之间相互作用的分子机制。近期，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室和武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室的研究人员使用MD模拟和理论分析量化了水-矿物的相互作用、矿物润湿性以及矿物表面水分子的结构和扩散特性，在分子尺度上解释了矿物润湿现象。该工作以 “Molecular Origin of Wetting Characteristics on Mineral Surfaces” 为题发表在Langmuir上。
MD模拟利用牛顿运动定律来计算系统中每个原子的受力情况，从而预测每个原子随时间变化的位置，被广泛用于量化矿物的润湿特性。然而，受计算效率和资源的限制以及线张力引起的尺寸效应，模拟结果的误差较大。该研究团队人员选用具有不同结构和化学性质的三类无机矿物：方解石、石英和蒙脱石以及一种有机物质干酪根，建立了一套MD模拟，对方解石、石英和Na+分布在与水分子接触一侧的蒙脱石具有强亲水性，干酪根具有弱亲水性，叶蜡石、Na+分布在不与水分子接触一侧的蒙脱石具有疏水性的润湿特征进行了验证，并对液滴在干酪根、叶蜡石和疏水性蒙脱石的表面上达到平衡的时间短于而方解石和石英的现象作出了解释。结果表明，引入同晶取代和电荷平衡反离子不仅改变了矿物的润湿性，而且还改变了动态扩散过程。如果电荷平衡反离子分布在与水分子直接接触的一侧，矿物的润湿性会显著增强。同时，由于电荷平衡反离子对水分子的吸引力，前驱体膜倾向于在矿物表面上形成，并向前扩散。然而，如果电荷平衡反离子不与水分子直接接触，则液滴逐渐变成锥形，呈现出垂直电场作用下的润湿现象。研究人员还对水分子的扩散特性与润湿行为之间的关系进行了研究；结果显示，水分子在强亲水性矿物表面上的相应扩散能力受到严重限制，接触线以“滚动模式”前进；相反，弱亲水性矿物表面的水分子具有很强的扩散能力，接触线以“跳跃模式”前进。“跳跃模式”和“滚动模式”之间的主要区别是润湿过程中固液摩擦系数的变化，进而改变了接触线的运动状况。这解释了液滴在干酪根、叶蜡石和Na+分布在不与水分子接触一侧的蒙脱石表面达到平衡的时间要短于在方解石和石英的表面达到平衡的时间。
该研究不仅通过矿物表面的结构特征为液滴润湿动力学提供了理论基础，对研究重金属阳离子通过溶解、凝聚、沉降等各种反应形成的存在形态在污染治理方法的探索方面也具有重要意义。值得关注的是两种类型的蒙脱石仅在钠离子的分布方面不同，却在液滴润湿过程显示出明显相反的特性，因此，在深层次分析粘土矿物的润湿性时，探究同晶取代和电荷平衡反离子对其表面润湿特性的影响具有重要的现实意义。此外，通过快速测量岩石润湿性以评估二氧化碳捕获能力和封存安全性，从而对按期实现“双碳”目标也具有参考价值。
(AMSC ＆ QYIM Y.R. Yin编报，C.L. Liu初审，Z.Z. Wang二审，J.Y. He终审)
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