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)用化學藥品在噴灑過程中，有超過50%的浪費和損失，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，對食品安全和農(nóng)藥殘留有重大影響。同時，沒有滯留在葉片表面的農(nóng)藥會流入土壤、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提高農(nóng)用化學品的利用率、減少浪費和環(huán)境污染等具有非常重要的意義。
2019年7月，美國化學會期刊ACS Nano（2018影響因子13.903）發(fā)表了來自河南農(nóng)業(yè)大學宋美榮教授團隊的題為“Enhancing Droplet Deposition on Wired和Curved Superhydrophobic Leaves”（增強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。這一研究對提升農(nóng)藥等化學藥品使用效率、大幅減少農(nóng)藥使用量、保護環(huán)境將起到重要作用。
水滴在超疏水表面沉積的困難，源于撞擊接觸時間短暫。一般而言，毫米級的水滴在平面超疏水基底撞擊的接觸時間只有10～12 ms左右，水滴越小，撞擊接觸時間越短。該研究團隊曾于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，如甘藍和花菜葉片上大大小小單獨和交叉的葉脈；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)，會使水滴在撞擊時的接觸時間顯著降低，極大增加液滴沉積的難度。
該研究團隊認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，即都是各向異性撞擊，導(dǎo)致水滴在某個方向上動量集中，伸長率增大，從而接觸時間縮短，且容易分裂。根據(jù)這一特性，該研究團隊提出了“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），來增強釘扎效應(yīng)（Pinning），留住水滴；最后，當液滴留在基底上，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（右圖）
組合助劑增強水滴在條紋（水稻、花菜）和彎曲（蔥）結(jié)構(gòu)以及平面對照（甘藍）超疏水植物葉片上的沉積
宋美榮團隊的研究不僅在農(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間越長越好。此前，宋美榮團隊還曾發(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，對液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象進行了系統(tǒng)研究，對有關(guān)問題進行了詳細闡釋，從中發(fā)現(xiàn)了一種全新的撞擊動力學模型??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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