钨含量调控银纳米粒子自生长行为及其对Ag-W合金薄膜超亲水性能的协同增强机制

针对金属薄膜亲水性不足的瓶颈问题，河南科研团队通过磁控溅射技术制备W含量梯度变化的Ag-W合金薄膜，发现W原子可诱导Ag纳米颗粒自组装形成多面体结构，使Ag-78.68 at% W薄膜水接触角(WCA)降至21.32°，表面能提升至72.39 mJ/m2，为自清洁玻璃和生物医用材料开发提供了新策略。

　　

在材料科学领域，固体表面的润湿性调控一直是研究热点。虽然超疏水材料已得到广泛研究，但超亲水材料在微反应器、自清洁玻璃、生物医用材料等领域展现出独特优势。金属薄膜因其优异的导电性和机械性能备受关注，但纯金属薄膜如银膜的水接触角(WCA)通常高达80°以上，这严重限制了其在需要快速润湿场景的应用。传统改善亲水性的方法往往需要复杂后处理工艺，如何在沉积过程中直接获得高性能亲水金属薄膜成为亟待解决的难题。

河南科研团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地采用磁控溅射技术制备W含量梯度变化的Ag-W合金薄膜。通过调控W含量（0-78.68 at%）和膜厚（200-800 nm），系统研究了合金成分对Ag纳米颗粒自生长行为的影响规律。研究发现W原子能显著促进Ag原子向表面扩散，自发形成多面体纳米颗粒和纳米棒结构。当W含量达78.68 at%时，薄膜表面粗糙度增至12.6 nm，表面能提升至72.39 mJ/m²，使WCA降至21.32°，远低于纯Ag膜和其他金属薄膜。这种无需后处理的"一步法"制备工艺，为开发新型亲水功能材料提供了新思路。

关键技术包括：1）采用高真空多靶磁控溅射系统（JCP-350）在钠钙玻璃基底上共沉积Ag/W；2）通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构；3）原子力显微镜（AFM）表征表面形貌；4）接触角测量仪评估润湿性；5）X射线光电子能谱（XPS）测定表面化学状态。

【材料与表征】研究使用99.99%纯Ag靶和99.95%纯W靶，在0.5 Pa工作气压、50 sccm氩气流量条件下沉积，通过改变靶材功率比调控W含量。XRD显示所有薄膜均出现Ag衍射峰，但未检测到W晶相，表明W以非晶或微晶形式存在。

【XRD图谱分析】随着W含量增加，Ag(111)峰强度逐渐减弱，表明W原子分散在Ag晶界处抑制了晶粒生长。当W含量达78.68 at%时，Ag(200)峰完全消失，证实W显著改变了Ag的择优取向。

【表面形貌演变】AFM三维形貌图显示，纯Ag膜表面光滑（Ra=2.3 nm），而Ag-78.68 at% W膜表面布满粒径50-200 nm的Ag纳米颗粒，粗糙度提升至12.6 nm。截面TEM证实纳米颗粒与薄膜本体间存在明显晶格连续性，验证了自生长机制。

【润湿性能】接触角测试表明，随着W含量从0增至78.68 at%，WCA从84.5°降至21.32°，表面能从38.21 mJ/m²增至72.39 mJ/m²。这种变化与表面粗糙度和Ag纳米颗粒密度呈正相关，符合Wenzel润湿模型。

【厚度影响】当膜厚从200 nm增至800 nm时，Ag纳米颗粒尺寸从50 nm增大至300 nm，但过厚（>600 nm）会导致颗粒团聚，反而不利于亲水性提升。

该研究揭示了W含量通过调控Ag原子扩散动力学影响表面纳米结构形成的机制：W原子在Ag晶界的偏聚产生晶格畸变，降低了Ag原子的扩散激活能，促使Ag原子向表面迁移并自组装成纳米颗粒。这种独特的表面结构既增加了表面粗糙度，又通过纳米颗粒边缘的原子不饱和键提高了表面能，从而协同增强了薄膜的亲水性能。

研究结论表明，通过成分设计诱导纳米结构自生长的策略，成功实现了金属薄膜亲水性的显著提升。这种Ag-W合金薄膜在自清洁玻璃、电化学催化、生物医用设备等领域具有重要应用前景。特别是其优异的亲水性可有效解决高湿度环境下的防雾问题，而Ag纳米颗粒的抗菌特性更拓展了其在医疗器械表面的应用潜力。该工作为开发新型功能化金属薄膜提供了理论依据和技术支撑，推动了表面润湿性调控研究从被动后处理向主动结构设计的转变。