Nature Physics：水纳米液滴线张力反转被追到四面体局域结构坍塌，润湿理论补上分子层解释

顶级刊物论文速递 · 发布 2026-06-19T18:50:00+08:00 · 更新 2026-06-19T18:56:07+08:00

核心结论

东京大学生产技术研究所团队 6 月 19 日发布 Nature Physics 论文，研究水纳米液滴在表面从部分润湿走向完全润湿时，接触线处线张力为何会改变符号。团队用分子动力学模拟显示，完全润湿时水分子的短程四面体局域有序在接触线处坍塌，驱动线张力反转；冰双层在亲水表面上反而不润湿，说明局域结构有时能压过表面化学。这为纳米流体、涂层、界面力学和生物表面设计提供了更微观的调控变量。

东京大学生产技术研究所团队 6 月 19 日通过 EurekAlert 发布消息，论文 Structural origin of line-tension reversal in nanoscale wetting of water 将发表于 Nature Physics，DOI 为 10.1038/s41567-026-03299-z。研究的问题看似日常：水为什么在特氟龙上成珠、在洁净玻璃上铺展。但当液滴缩小到纳米尺度，宏观连续介质理论中可以忽略的“线张力”会变得重要，甚至在完全润湿时改变符号。

线张力作用在固体、液体和气体三相交会的接触线附近。宏观液滴主要由界面张力平衡决定，接触线相对液滴太小，线张力贡献很弱；纳米液滴则不同，接触线与液滴尺度接近，线张力足以影响铺展行为。此前困难在于，线张力反转难以只用连续理论解释，也很难在实验中直接观察接触线附近水分子的局域结构变化。

论文使用分子动力学模拟，把不同基底润湿性下水分子的组织方式与线张力量化联系起来。公开稿显示，液态水通常通过氢键形成短程四面体局域结构；当液滴进入完全润湿状态时，这种接触线附近的四面体有序发生坍塌，并与线张力符号变化相关。团队还模拟了亲水表面上的冰双层，发现冰双层并不润湿该表面，提示局域分子有序有时比“表面亲水”这一宏观化学描述更能决定界面行为。

这项研究的重要性在于，它把纳米润湿从“表面化学调控”推进到“界面液体结构调控”。对纳米流体芯片、抗污涂层、催化界面、膜材料和生物表面而言，液滴是否铺展、接触线如何移动，会影响传质、成核、粘附和摩擦。若后续能用实验或更复杂材料体系验证，这种分子层机制可能帮助设计既控制表面化学、又控制界面水结构的材料。

边界在于，当前证据主要来自计算模拟。模拟能解析分子尺度结构，但仍依赖力场、基底模型和边界条件；从理想表面到真实粗糙、多组分、带电或生物界面，还需要实验散射、显微和宏观润湿测量相互校准。后续值得观察的是，线张力反转是否能在更多液体和基底组合中复现，以及这种结构机制能否被转化为可工程化的纳米表面设计规则。

信息来源

• EurekAlert / 东京大学生产技术研究所新闻稿
• Nature Physics DOI

可信度说明

来源为东京大学生产技术研究所通过 EurekAlert 发布的机构新闻，并给出 Nature Physics 期刊、论文题名、DOI 和 2026 年 6 月 19 日发表日期。证据为分子动力学模拟，机制解释较强，但工程适用性与不同真实表面的可复现性仍需后续实验确认。

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