江雷院士《Science Advances》：挑戰不可能，讓超疏水表面留住水

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導讀

液體在表面材料上的分布一直是重要的研究課題，在實際生產生活中，噴洒、塗覆等過程均與之有關。比如，在農業生產中噴農藥的過程中，就產生了一個非常棘手的問題：如何讓農藥溶液液滴儘可能地留在植物表面，減少損失從而進一步降低成本和污染。最近，中科院理化技術研究所的江雷院士團隊發展了基於新型表面活性劑的方法來克服上述問題。

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噴洒農藥可以說是一項技術活，農民伯伯們揮汗如雨，辛勤勞作，然而由於農藥溶液液滴存在回彈、潑濺等問題，多達50%的農藥其實並未最終存留於農作物表面而被白白地浪費掉了。這似乎是一個無法解決的問題，因為眾所周知，植物葉子表面往往都「出淤泥而不染」，用專業的話語來說，它們是一種天然的超疏水表面。所謂魚和熊掌不可兼得，既然它們能夠「出淤泥而不染」，它們就會排斥包括農藥溶液在內的外來液滴，所以，這就產生了一個看似無解的科學難題：如何讓這些天然超疏水表面留住農藥的水溶液液滴呢？

最近，來自中科院理化技術研究所的江雷院士、Zhichao Dong、Yilin Wang團隊發展了一種新型的表面活性劑AOT，使用含量在1%時，可以使得水溶液液滴優先「吸附」在植物表面，極大地抑制了其因潑濺、滾落等原因造成的損失，對農藥配方的設計有著重大的意義和參考價值，該項研究成果發表在《Science Advances》。

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（含1%AOT的溶液滴落在植物葉片上呈現均勻分布，其他三種對照組溶液液滴發生不同的破碎、回縮、彈跳等現象。對照組分別為純水、含常規表面活性劑SDS或TS的溶液。）

由上圖可以看到，若液滴中含有1%的AOT，下落的液滴會在2ms內迅速擴展出較大的潤濕面積，然後液滴破碎但是回退層流被極大地抑制並最終維持其潤濕面積。

並且，這種性能不僅對於葉片等天然的超疏水表面有效，對於多種人工製備的超疏水表面同樣有效。

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（含有1%AOT的水溶液液滴落在人工超疏水表面）

那麼，AOT何以讓超疏水表面留住水呢？原來，在合適的濃度下，傳統的表面活性劑水溶液中僅僅只能形成零星分布的膠束結構，而含AOT的水溶液卻可以在空氣/水界面處形成多層結構的囊泡，這些眾多大尺寸囊泡的存在抑制了液滴鋪展開後的回退過程，具體來講，囊泡聚集體具有最低的DST值，眾多的囊泡會迅速填滿液滴落在表面瞬間產生的空間，並維持較低且均勻的表面張力。

（AOT在水溶液中形成囊泡）

（不含表面活性劑（A）、含有常規膠束型表面活性劑（B）與AOT表面活性劑（C）液滴落在疏水表面後機理差異）

不過該研究工作也有小小的遺憾，即沒有給出在常規農藥試劑存在的情況下，AOT溶液還能否真正發揮效應，也沒有說明AOT的大規模使用的生物毒性問題。不過，這項研究依舊讓人們對於液體在表面分布的理解更進一步，對於農藥配方設計具有很大的參考意義。

參考文獻：

Song, M.; Ju, J.; Luo, S.; Han, Y.; Dong, Z.; Wang, Y.; Gu, Z.; Zhang, L.; Hao, R.; Jiang, L., Controlling liquid splash on superhydrophobic surfaces by a vesicle surfactant. Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1602188

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