自然界有很多超疏水葉片，由于其極低的表面能，使得水滴撞上去后極易反彈和濺射。這一特性，使得農(nóng)用化學(xué)藥品在噴灑過程中，有超過50%的浪費(fèi)和損失，造成利用率低下。由于滯留困難，需要多次重復(fù)噴灑，造成過度使用，對(duì)食品安全和農(nóng)藥殘留有重大影響。同時(shí)，沒有滯留在葉片表面的農(nóng)藥會(huì)流入土壤、湖泊，造成二次生態(tài)污染。因此，研究水滴在超疏水表面上的沉積問題對(duì)提高農(nóng)用化學(xué)品的利用率、減少浪費(fèi)和環(huán)境污染等具有非常重要的意義。
2019年7月，美國化學(xué)會(huì)期刊ACS Nano（2018影響因子13.903）發(fā)表了來自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)宋美榮教授團(tuán)隊(duì)的題為“Enhancing Droplet Deposition on Wired和Curved Superhydrophobic Leaves”（增強(qiáng)水滴在條紋和彎曲結(jié)構(gòu)超疏水植物葉片的沉積）的文章，闡明了通過添加極少量柔性聚合物聚氧乙烯醚（PEO）和表面活性劑(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸鈉（AOT）復(fù)合助劑，解決了水滴在水稻、小麥、蔥類等超疏水植物葉片上的各向異性撞擊損失問題。這一研究對(duì)提升農(nóng)藥等化學(xué)藥品使用效率、大幅減少農(nóng)藥使用量、保護(hù)環(huán)境將起到重要作用。
水滴在超疏水表面沉積的困難，源于撞擊接觸時(shí)間短暫。一般而言，毫米級(jí)的水滴在平面超疏水基底撞擊的接觸時(shí)間只有10～12 ms左右，水滴越小，撞擊接觸時(shí)間越短。該研究團(tuán)隊(duì)曾于2017年在Science
Advances上發(fā)表文章，闡明了囊泡性表面活性劑AOT有效抑制超疏水平面上彈射和濺射問題。然而，農(nóng)藥在超疏水植物葉片上的沉積問題更為嚴(yán)重，最近的研究發(fā)現(xiàn)，如果在超疏水表面添加一些單條紋、交叉條紋、平行條紋或者彎曲結(jié)構(gòu)，可以誘發(fā)各向異性鋪展和回撤，水滴的接觸時(shí)間將繼續(xù)降低50%左右，變得更容易反彈和濺射。大多數(shù)超疏水葉片都具有條紋和彎曲結(jié)構(gòu)特征，如甘藍(lán)和花菜葉片上大大小小單獨(dú)和交叉的葉脈；再如水稻和小麥葉片表面是以平行條紋為特征的超疏水表面；還有管狀葉大蔥、小香蔥、比較粗的葉柄，都是彎曲表面。超疏水植物葉片表面的這些條紋和彎曲結(jié)構(gòu)，會(huì)使水滴在撞擊時(shí)的接觸時(shí)間顯著降低，極大增加液滴沉積的難度。
該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)真研究了水滴撞擊在條紋和彎曲結(jié)構(gòu)超疏水表面的共同特點(diǎn)，即都是各向異性撞擊，導(dǎo)致水滴在某個(gè)方向上動(dòng)量集中，伸長率增大，從而接觸時(shí)間縮短，且容易分裂。根據(jù)這一特性，該研究團(tuán)隊(duì)提出了“分裂?持留?鋪展”的解決辦法，即首先采用極少量（＜0.01%）具有顯著拉伸粘度的高分子量的聚合物稀溶液（如PEO）來抑制液滴的分裂；其次，添加少量表面活性劑如AOT（0.1%以下），來增強(qiáng)釘扎效應(yīng)（Pinning），留住水滴；最后，當(dāng)液滴留在基底上，那些在液滴內(nèi)部的表面活性劑分子就可以有充足的時(shí)間遷移到水滴表面來降低平衡表面張力，從而慢慢浸潤葉片，獲得較大的潤濕鋪展面積。
水滴在單條紋超疏水表面的沉積策略（左圖）以及在水稻背面的證實(shí)（右圖）
組合助劑增強(qiáng)水滴在條紋（水稻、花菜）和彎曲（蔥）結(jié)構(gòu)以及平面對(duì)照（甘藍(lán)）超疏水植物葉片上的沉積
宋美榮團(tuán)隊(duì)的研究不僅在農(nóng)藥領(lǐng)域有廣泛用途。在生產(chǎn)生活和工程領(lǐng)域中，液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象普遍存在。在自清潔、防凍防冰領(lǐng)域，人們希望液滴能夠快速離開表面，其撞擊接觸時(shí)間越短越好；而在噴墨打印、農(nóng)藥噴灑、火災(zāi)撲救等領(lǐng)域，人們則希望液滴能夠滯留固體表面，液滴撞在固體上的接觸時(shí)間越長越好。此前，宋美榮團(tuán)隊(duì)還曾發(fā)表了《利用3D打印方法制備大尺度各向異性超疏水結(jié)構(gòu)降低液滴撞擊接觸時(shí)間的研究》《利用囊泡性表面活性劑AOT解決在超疏水表面上的撞擊濺射問題》等多篇重要文章，對(duì)液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)闡釋，從中發(fā)現(xiàn)了一種全新的撞擊動(dòng)力學(xué)模型??雄鷹展翅式，并找到了有效控制水滴濺射的方法，從小水滴里做出了大學(xué)問，宋美榮被身邊師生親切地稱為“控制水滴飛行的科研女神”。 |
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