氟化与非氟化表面界面水的微观结构与动力学——来自从头算模拟与红外光谱的见解
化学物理
2026-04-06 v2 材料科学
摘要
全氟和多氟烷基物质是一类广泛用作涂层以降低表面能的合成化学化合物。然而，它们与水和有机化合物之间弱相互作用的微观机制仍了解甚少。在此，我们进行大规模密度泛函理论分子动力学模拟，研究氟化和非氟化碳氢化合物自组装单层（SAMs）上的水。我们分析界面水结构，并将其与原型疏水空气-水界面进行比较。两种 SAM 上的界面水结构均与空气-水界面相似，具有明显的耗尽层和与表面平行的二维氢键网络。计算得到的各向异性红外光谱再现了表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）中观察到的关键实验特征，包括直接探测局部表面-水相互作用的自由 OH 振动。值得注意的是，碳氢化合物 SAM-水界面的自由 OH 伸缩振动相对于空气-水界面表现出红移，表明弱结合，而氟化 SAM-水界面则显示出弱蓝移的自由 OH 模式，与实验一致。这种频率行为违背了基于振动斯塔克效应的常见解释。此外，我们表明水分子在氟化表面附近的重新取向动力学显著更慢，我们将其与光谱线形相关联——这一效应在亲水表面上更符合预期。这表明氟化 SAM 尽管在宏观上比非氟化对应物更具疏水性，但其光谱特征既不符合疏水性也不符合亲水性。
引用
@article{arxiv.2603.26300,
title = {Microscopic Structure and Dynamics of Interfacial Water at Fluorinated vs Nonfluorinated Surfaces -- Insights from Ab-Initio Simulations and IR Spectroscopy},
author = {Maximilian R. Becker and Ruben Cruz and Kenichi Ataka and Joachim Heberle and Roland R. Netz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.26300},
year = {2026}
}