丁磊|金慧超|陈超|穆罕默德·S·塞利姆|希玛·A·希加齐|田伟|田丽梅|任路全
教育部仿生工程重点实验室，吉林大学，长春130022，中国
摘要
两亲性表面是一类特殊材料表面，它们既能“吸引”水，又能“排斥”水。这类表面同时包含亲水区域（能够与水结合）和疏水区域（几乎不与水结合）。通过精确设计这两种区域的化学组成、分布模式和微观地形，两亲性表面可以实现对不同物质在界面行为的精确调控，这被称为它们的“多尺度界面行为调控能力”。与受均匀润湿性质限制的传统均匀材料不同，这些表面通过极性/非极性基团的热力学相互作用超越了经典的Wenzel-Cassie理论限制。这使得它们能够实现极端润湿状态，包括超疏水性、超亲水性、各向异性润湿以及响应光、热或pH值的动态切换。本文回顾了两亲性表面的历史发展及其受自然界启发的设计原理，分析了其在多个领域的应用和优势，并讨论了当前面临的挑战及未来发展方向。新兴的研究重点包括人工智能辅助的分子设计、基于生物的动态网络构建以及量子限制畴效应的探索。这些进展将推动自适应、可持续且高度集成的两亲性系统的演变，最终为柔性电子、精准医疗和绿色能源等战略领域提供关键接口。
引言
两亲性表面是指同时具有亲水（极性）和疏水（非极性）分子区域的界面系统，对极性（如水）和非极性（如油）介质都表现出双重亲和性[1]。这种行为源于表面分子结构的内在极性异质性，即亲水基团（如羟基、羧基）和疏水片段（如长链烷烃、硅氧烷）在同一分子中共存，通过分子内的极性梯度形成两亲性特征[2]、[3]。当两亲性分子位于气-液或液-液界面时，热力学自发性驱动它们吸附到界面区域，随后发生极性导向的自组装：疏水末端朝向非极性相，而亲水末端则锚定在极性相中，从而最小化界面自由能[4]。例如，在油-水系统中，两亲性分子的疏水链会渗透到油相中，而亲水极性头基团通过氢键或静电相互作用与水相结合，在界面形成亚稳态有序单层[5]。通过范德华力等非共价协同效应，这些分子进一步自组织成更高阶的表面结构（如胶束、双层膜）[6]。一个典型的例子是生物膜中的磷脂双层：疏水尾部构成膜的核心，而亲水头基团形成双极界面，动态调节膜的通透性和跨膜信号传递。对两亲性表面的研究起源于对生物界面（如细胞膜、荷叶表面）的仿生探索，其发展轨迹与众多科学家的开创性贡献密不可分[7]。20世纪30年代，欧文·朗缪尔通过单层实验阐明了表面活性剂分子在气-液界面的定向排列模式，为两亲性界面研究奠定了理论基础[8]。合作者凯瑟琳·B·布洛杰特通过开发朗缪尔-布洛杰特薄膜技术，首次实现了两亲性界面上可控的分子级堆叠[9]。20世纪80年代，雅各布·N·以色列阿赫维利对胶体相互作用力进行了定量研究，提出了两亲性分子自组装的“临界填充参数”理论，为构建脂质体和小胶束等纳米结构提供了基本设计原则[10]。1991年，乔治·M·怀特赛德斯的研究团队通过金表面的硫醇分子自组装单层实现了两亲性界面的化学图案化，推动了微流控和生物传感技术的进步[11]。21世纪初，乔安娜·艾森伯格从生物矿化过程中获得灵感，开发了受生物启发的动态两亲性涂层（如SLIPS技术），通过纳米结构与润滑液体的协同作用实现了超滑防污功能[12]。基于这些原理，研究人员致力于设计和制造具有可控润湿性和功能性的“两亲性表面”（即具有两亲性特性的固体表面、涂层和薄膜）。
近年来，两亲性表面研究在分子设计、纳米结构调控和可持续发展方面取得了突破性进展（图1）。作为两亲性表面的构建单元，两亲性分子结合了亲水基团和疏水基团，使它们能够在水与油等不同相的界面充当表面活性剂。当两亲性分子在界面自组装时，其亲水基团朝向水相，而疏水基团朝向油相或其他非极性相，从而形成两亲性表面[13]。2012年提出的超分子两亲性分子概念彻底改变了传统认识：通过静电或氢键驱动的非共价组装，非两亲性结构单元在复合系统中表现出协同的界面活性[14]。在纳米结构研究中，由两亲性纳米颗粒稳定的Pickering乳液通过独特的物理屏障效应提高了冻融稳定性，标志着食品工业的技术突破[15]。值得注意的是，可持续表面活性剂的发展已从概念验证阶段发展到工业应用。基于发酵的生物基表面活性剂（如鼠李糖脂）市场份额稳步扩大，与碳捕获技术同步发展[16]。两亲性表面活性剂正在生物医学领域得到应用：pH响应性的聚（乳酸）-聚（乙二醇）嵌段共聚物胶束可以释放多柔比星（Dox），提高癌细胞对Dox的敏感性，从而推动癌症治疗的临床应用[17]。同时，温度响应性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶涂层在组织工程中表现出优异的细胞相容性[18]。此外，这些材料在功能性涂层中的创新应用包括：具有梯度润湿性的微流控芯片、高光热转换效率的太阳能海水淡化膜以及低蛋白质吸附特性的生物传感器界面[19]。
两亲性表面通过整合亲水区和疏水区，在可控润湿性、自清洁、防雾、防冰和生物医学等领域展现出超越单一润湿性材料局限性的多功能协同潜力[20]。它们与纳米技术和智能响应系统的未来结合正在推动该领域向功能定制和动态调控方向发展[21]。与以往通常关注单一表面类型、制备方法或特定应用的综述不同，本文系统地整合了“分层表面构建逻辑”和“多尺度界面行为调控能力”[22]。基于从分子设计到宏观功能化的跨尺度构建框架，本文系统地关联了材料合成、结构调控和界面性质之间的内在关系，并深入解释了从分子间相互作用到宏观液体传输行为的多尺度级联和耦合机制[23]。此外，本文明确区分了表面两亲性与传统分子两亲性或胶束系统的根本区别：表面两亲性依赖于界面处亲水/疏水组分的空间异质分布，从而能够精确[24]和主动调控界面行为（如润湿性和粘附性）[25]。其物理机制与传统胶束系统不同，后者依赖于分子内两亲性基团的化学平衡或溶液中的动态自组装[26]、[27]、[28]。这一视角旨在填补现有研究中关于“构建-调控-应用”集成框架的空白，为先进功能性表面的设计提供系统参考[29]。
两亲性表面原理
两亲性表面的本质在于界面极性的“异质性”[30]。通过在材料表面构建微米级和纳米级的亲水区域（易于与水结合）和疏水区域（难以与水结合），表面获得了与极性和非极性物质选择性相互作用的能力[31]、[32]。与具有单一亲水或疏水性质的传统表面不同，两亲性表面的关键在于
形态结构类型
如2.3节所讨论的，溶液中两亲性分子的自组装行为受热力学和动力学参数（如填充参数、临界胶束浓度）的精确控制，从而形成从球形胶束到层状相等多种纳米结构（图5）。本节将这些基本原理从溶液相扩展到固体表面和界面工程，重点讨论具有明确拓扑结构的两亲性结构
传统制备技术
在两亲性表面的制备过程中，选择合适的制备技术和工艺对于精确调控材料结构和性质至关重要[217]。不同的制备方法具有各自的特性和优势，可以满足不同应用场景下两亲性表面的要求。本节讨论了三种主要的制备技术，包括化学合成、物理沉积等
两亲性表面的应用
从材料类型来看，两亲性表面种类繁多[280]。例如，两亲性嵌段共聚物在生物医学领域具有自组装和形状可调性的优势，但环境适应性有限[281]、[282]。含有氟碳的两亲性表面在抗菌应用中具有广谱抗菌性能，但存在生物毒性风险[283]。基于硅氧烷的两亲性表面
新型安全两亲性表面的开发
开发无毒、无迁移风险且生物相容的两亲性表面。例如，可以从天然生物分子制备具有两亲性特性的食品接触材料或包装材料[379]。以大豆蛋白改性的两亲性包装膜为例，它可以有效阻隔氧气并延长食品保质期，且由于天然来源不会引入有害化学物质。在食品添加剂领域，也在开展相关研究
结论
本文系统阐述了以“分子修饰—微/纳米级分隔—宏观级集成”为中心的分层框架下的两亲性表面材料的设计原理、制备策略和应用进展。分子修饰通过化学基团接枝和引入响应单元，为亲水-疏水协同作用奠定了分子基础。微/纳米级的分区实现了精确的空间调控
作者贡献声明
丁磊：撰写——初稿、研究、概念构思。金慧超：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。陈超：撰写——审稿与编辑、研究。穆罕默德·S·塞利姆：软件开发、研究。希玛·A·希加齐：研究。田伟：撰写——审稿与编辑、研究。田丽梅：撰写——审稿与编辑。任路全：撰写——审稿与编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（52375286）和吉林省科学技术发展计划项目（项目编号20240101131JC）的资助。
丁磊博士她目前是一名专注于生物启发功能性表面的博士候选人，已有三篇同行评审论文发表和两项专利申请。
