Contributions of van der Waals Interactions and Hydrophobic Attraction to Molecular Adhesions on a Hydrophobic MoS2 Surface in Water

范德瓦尔斯力 力谱学 疏水效应 粘附 分子 化学物理 化学 乙二醇 吸引力 分子动力学 静电学 位阻效应 纳米技术 计算化学 材料科学 立体化学 有机化学 物理化学 哲学 语言学
作者
Yuechao Tang,Xurui Zhang,Phillip Choi,Zhenghe Xu,Qingxia Liu
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:34 (47): 14196-14203 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.8b02636
摘要

Pushing the boundaries of the investigation of hydrophobic attraction (HA) to the molecular scale readily ensures the collection of experimental results free of secondary effects, thereby facilitating the unraveling of the underlying mechanism by providing clean experimental results that truly reflect the hydrophobic attraction. Regardless of the feasibility of this approach, investigations using this promising method are stagnant due to the difficulties in determining the individual contributions of HA and van der Waals (vdW) interactions at the molecular scale. Here, a novel approach was proposed for the first time to determine the individual contributions of vdW interactions and HA by studying the single-molecule adhesion forces of a neutral oligo ethylene glycol methacrylate copolymer on a MoS2 crystal exposed to different water chemistry. The anisotropic surface properties of MoS2 enabled the partitioning of vdW interactions and hydrophobic attraction in total single-molecule adhesion forces and also enabled determining the contribution of electrostatic interaction (ESI). When the presence of ESI is excluded, the study of single-molecule adhesion forces using single-molecule force spectroscopy (SMFS) revealed that the contribution of vdW interactions to total molecular interactions was smaller than 9 pN. The strong single-molecule adhesion forces of oligo ethylene glycol copolymer on the hydrophobic basal surface of MoS2 demonstrated that HA plays a dominant role with contribution up to 89% to the total single-molecule adhesion force. By utilizing the derived theoretical model, we quantified the individual contribution of each fundamental interaction under a variety of conditions. This study proposed a facile approach to quantitatively clarify the roles of vdW interactions and HA at the molecular scale, which may help assist future experimental and theoretical investigations of hydrophobic (solvophobic) effects and vdW interactions in aqueous solutions.
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