河南农业大学科研女神在解决水滴在超疏水植物叶片沉积难题上取得重要进展

来源：顶尖植物科学研究

　　自然界有很多超疏水叶片，由于其极低的表面能，使得水滴撞上去后极易反弹和溅射。这一特性，使得农用化学药品在喷洒过程中，有超过50%的浪费和损失，造成利用率低下。由于滞留困难，需要多次重复喷洒，造成过度使用，对食品安全和农药残留有重大影响。同时，没有滞留在叶片表面的农药会流入土壤、湖泊，造成二次生态污染。因此，研究水滴在超疏水表面上的沉积问题对提高农用化学品的利用率、减少浪费和环境污染等具有非常重要的意义。

　　水滴在超疏水表面沉积的困难，源于撞击接触时间短暂。一般而言，毫米级的水滴在平面超疏水基底撞击的接触时间只有10 -12 ms左右，水滴越小，撞击接触时间越短。该研究团队曾于2017年在Science Advances上发表文章，阐明了囊泡性表面活性剂AOT有效抑制超疏水平面上弹射和溅射问题。然而，农药在超疏水植物叶片上的沉积问题更为严重，最近的研究发现，如果在超疏水表面添加一些单条纹、交叉条纹、平行条纹或者弯曲结构，可以诱发各向异性铺展和回撤，水滴的接触时间将继续降低50%左右，变得更容易反弹和溅射。大多数超疏水叶片都具有条纹和弯曲结构特征，如甘蓝和花菜叶片上大大小小单独和交叉的叶脉；再如水稻和小麦叶片表面是以平行条纹为特征的超疏水表面；还有管状叶大葱、小香葱、比较粗的叶柄，都是弯曲表面。超疏水植物叶片表面的这些条纹和弯曲结构，会使水滴在撞击时的接触时间显著降低，极大增加液滴沉积的难度。　　该研究团队认真研究了水滴在水滴撞击在条纹和弯曲结构超疏水表面的共同特点，即都是各向异性撞击，导致水滴在某个方向上动量集中，伸长率增大，从而接触时间缩短，且容易分裂。根据这一特性，该研究团队提出了“分裂——持留——铺展”的解决办法，即首先采用极少量（<0.01%）具有显著拉伸粘度的高分子量的聚合物稀溶液（如PEO）来抑制液滴的分裂；其次，添加少量表面活性剂如AOT（0.1%以下），来增强钉扎效应（Pinning）, 留住水滴；最后，当液滴留在基底上，那些在液滴内部的表面活性剂分子就可以有充足的时间迁移到水滴表面来降低平衡表面张力，从而慢慢浸润叶片，获得较大的润湿铺展面积。

组合助剂增强水滴在条纹（水稻、花菜）和弯曲（葱）以及平面对照（甘蓝）超疏水植物叶片上的沉积

　　该团队还通过实验证实了研究思想和沉积策略。聚合物PEO和表面活性剂AOT成功解决了水滴在水稻、小麦、花菜、葱类等条纹和弯曲超疏水植物表面上的沉积问题。不仅如此，在沉积机理上，文章也直接发现和阐明了PEO的拉伸性能在增强液滴沉积上的作用，解决了这一过去19年来争吵不休的问题。自2000年Nature报道PEO显著的拉伸黏度是增强水滴在疏水表面上的沉积的主要原因以来，很多学者认为浸润性改变才是增强沉积的主要原因。此外，文章提出的策略对表面活性剂必须动态表面张力低才能增强沉积的机理提出了小小的挑战，提出了动态表面张力不用那么低就可以沉积，极大降低了表面活性剂的用量，扩展了表面活性剂可选的种类，使沉积变得更容易。该研究还证实了该组合助剂在狗尾巴草、仿生条纹和弯曲超疏水表面上，甚至在解决弹性超疏水表面的沉积问题上也是有效的。　　“ACS nano”为美国化学会旗下刊物，ISSN号：1936-0851，大类学科为工程技术，中科院SCI/JCR 1区，小类学科含化学综合/物理综合/材料综合，均为中科院SCI/JCR 1区，主要刊登研究性论文，2018年影响因子为13.903。　　该文章2019年7月3日在线发表后，中国聚合物网、中国流变网、高分子科技/材料人等媒体平台在第一时间翻译文章主要研究思想和数据，并进行了推送和宣传。此前，宋美荣教授团队等曾在Science 子刊Science advance（2017年 IF=11.511）, Nature 子刊NPG Asia Materials（2016年IF=9.157）上面发表两篇相关文章。