【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在材料科學(xué)、農(nóng)業(yè)植保及自清潔技術(shù)等領(lǐng)域，精準(zhǔn)表征表面的動(dòng)態(tài)防水能力至關(guān)重要。傳統(tǒng)基于光學(xué)成像的接觸角測量方法易受干擾，難以反映液滴在沖擊、滑動(dòng)等真實(shí)動(dòng)態(tài)過程中的行為。
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心董智超研究員、于存龍工程師團(tuán)隊(duì)提出一種新的力學(xué)表征參數(shù)——K值。該方法通過直接測量液滴動(dòng)態(tài)后退過程中的力-位移曲線，規(guī)避了光學(xué)失真，為量化表面的“動(dòng)態(tài)排斥性”提供了普適、可靠的高分辨率工具。相關(guān)研究論文已發(fā)表于ACS Nano，論文通訊作者為董智超研究員和于存龍工程師，第一作者為2021級(jí)博士研究生展梓棟。
研究團(tuán)隊(duì)回歸力學(xué)本質(zhì)，創(chuàng)新測量方法：使用懸掛水滴的力學(xué)探頭與基底進(jìn)行可控的相對運(yùn)動(dòng)，并高精度記錄液滴后退過程中法向力(F)隨基底高度(H)的變化曲線。他們發(fā)現(xiàn)，在后退階段，F(xiàn)-H關(guān)系近似線性，其斜率被定義為特征值K。K值物理意義明確，其絕對值大小直接反映液滴脫離表面的難易程度：K值越小(接近零或較小負(fù)值)，表面越“防水”，液滴越易彈開；K值越大(負(fù)值越大)，則表面“粘性”越強(qiáng)，液滴越難脫離(圖1)。
圖1 力學(xué)特征值K表征動(dòng)態(tài)防水性示意圖
研究證實(shí)，K值能清晰區(qū)分超疏水表面不同的微觀潤濕狀態(tài)。對于典型的Wenzel狀態(tài)(液滴浸潤粗糙結(jié)構(gòu))和Cassie狀態(tài)(液滴坐于空氣墊上)，K值表現(xiàn)出顯著差異：前者K絕對值較大(K值約為-70 mN/m)，對應(yīng)接觸線平穩(wěn)滑動(dòng)；后者K絕對值很小(K值約-5 mN/m)，對應(yīng)接觸線的“粘-滑”脫釘行為。更突出的是，對于微觀結(jié)構(gòu)不均一的“混合”基底，K值在后退過程中會(huì)發(fā)生相應(yīng)振蕩，實(shí)時(shí)映射出表面亞微米尺度的異質(zhì)性，分辨率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法(圖2)。
圖2 K值區(qū)分超疏水表面不同的微觀潤濕狀態(tài)
為驗(yàn)證K值的實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了為期30天的戶外暴露實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，材料的積塵情況與其K值變化直接相關(guān)。例如，一塊超疏水織物初始K值為-7 mN/m，抗污染性能優(yōu)異；30天后，因表面附著灰塵，其K值變?yōu)?54 mN/m，動(dòng)態(tài)排斥性下降。這表明，K值可作為表面在實(shí)際環(huán)境中自清潔性能衰退的實(shí)時(shí)、定量指標(biāo)(圖3)。
圖3 K值評(píng)價(jià)超疏水織物戶外自清潔能力
作物葉片的蠟質(zhì)層是其天然“防水衣”，但傳統(tǒng)方法難以量化其細(xì)微差別。團(tuán)隊(duì)測量了多種禾本科植物葉片，發(fā)現(xiàn)K值與表皮蠟晶的密度和形態(tài)系統(tǒng)相關(guān)：蠟晶結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、密度越高，K值越大(負(fù)值減小)。通過化學(xué)去除蠟層后，葉片K值顯著降低。這證明K值能為快速評(píng)估作物葉片的排水與抗附著能力提供關(guān)鍵量化依據(jù)，助力抗性品種篩選(圖4)。
圖4 K值解析農(nóng)業(yè)植物葉片表面蠟質(zhì)防水特性
液滴撞擊反彈是最復(fù)雜的動(dòng)態(tài)場景之一。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在反彈周期的末尾，存在一個(gè)與準(zhǔn)靜態(tài)后退力學(xué)相似的短暫狀態(tài)。基于此，他們證明了準(zhǔn)靜態(tài)測得的K值，其數(shù)量級(jí)可直接用于預(yù)測表面的沖擊排斥能力。實(shí)驗(yàn)表明，僅憑K值單一參數(shù)，就能高分辨率地區(qū)分不同基底的水滴回彈行為：K值很大(約-10² mN/m)的光滑表面幾乎不反彈；K值中等(約-70 mN/m)的微結(jié)構(gòu)表面可反彈一次；而K值很小(約-10¹ mN/m)的穩(wěn)固微納結(jié)構(gòu)表面則能實(shí)現(xiàn)多次高效反彈(圖5)。
圖5 K值預(yù)測液滴沖擊動(dòng)力學(xué)
本研究提出的力度量K，成功將動(dòng)態(tài)潤濕性表征從定性、易擾的光學(xué)觀測推進(jìn)到精準(zhǔn)、定量的力學(xué)測量。它深刻關(guān)聯(lián)了表面微觀結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)響應(yīng)與實(shí)際應(yīng)用性能，在仿生材料設(shè)計(jì)、智慧農(nóng)業(yè)、表面工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出作為基礎(chǔ)性表征工具的廣闊潛力。未來，該方法有望進(jìn)一步擴(kuò)展至其他液體體系的研究中。
該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委和中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的支持。(稿件來源：仿生智能界面科學(xué)中心)
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