河南農業大學科研女神在解決水滴在超疏水植物葉片沉積難題上取得...

2020-12-18 騰訊網

近日，河南農業大學宋美榮教授團隊在美國化學會期刊ACS nano上發表題為「Enhancing Droplet Deposition on Wired and Curved Superhydrophobic Leaves」（增強水滴在條紋和彎曲結構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）複合助劑，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，該雜誌影響因子達到13.903。其中宋美榮教授為第一作者和第一通訊作者，該校研究生段虎為第二作者。

文章正文（部分）

自然界有很多超疏水葉片，由於其極低的表面能，使得水滴撞上去後極易反彈和濺射。這一特性，使得農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。由於滯留困難，需要多次重複噴灑，造成過度使用，對食品安全和農藥殘留有重大影響。同時，沒有滯留在葉片表面的農藥會流入土壤、湖泊，造成二次生態汙染。因此，研究水滴在超疏水表面上的沉積問題對提高農用化學品的利用率、減少浪費和環境汙染等具有非常重要的意義。

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）

水滴在超疏水表面沉積的困難，源於撞擊接觸時間短暫。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。該研究團隊曾於2017年在Science Advances上發表文章，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，最近的研究發現，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構，可以誘發各向異性鋪展和回撤，水滴的接觸時間將繼續降低50%左右，變得更容易反彈和濺射。大多數超疏水葉片都具有條紋和彎曲結構特徵，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徵的超疏水表面；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構，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在水滴撞擊在條紋和彎曲結構超疏水表面的共同特點，即都是各向異性撞擊，導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，即首先採用極少量（

組合助劑增強水滴在條紋（水稻、花菜）和彎曲（蔥）以及平面對照（甘藍）超疏水植物葉片上的沉積

該團隊還通過實驗證實了研究思想和沉積策略。聚合物PEO和表面活性劑AOT成功解決了水滴在水稻、小麥、花菜、蔥類等條紋和彎曲超疏水植物表面上的沉積問題。不僅如此，在沉積機理上，文章也直接發現和闡明了PEO的拉伸性能在增強液滴沉積上的作用，解決了這一過去19年來爭吵不休的問題。自2000年Nature報導PEO顯著的拉伸黏度是增強水滴在疏水表面上的沉積的主要原因以來，很多學者認為浸潤性改變才是增強沉積的主要原因。此外，文章提出的策略對表面活性劑必須動態表面張力低才能增強沉積的機理提出了小小的挑戰，提出了動態表面張力不用那麼低就可以沉積，極大降低了表面活性劑的用量，擴展了表面活性劑可選的種類，使沉積變得更容易。該研究還證實了該組合助劑在狗尾巴草、仿生條紋和彎曲超疏水表面上，甚至在解決彈性超疏水表面的沉積問題上也是有效的。

「ACS nano」為美國化學會旗下刊物，ISSN號：1936-0851，大類學科為工程技術，中科院SCI/JCR 1區，小類學科含化學綜合/物理綜合/材料綜合，均為中科院SCI/JCR 1區，主要刊登研究性論文，2018年影響因子為13.903。

該文章2019年7月3日在線發表後，中國聚合物網、中國流變網、高分子科技/材料人等媒體平臺在第一時間翻譯文章主要研究思想和數據，並進行了推送和宣傳。此前，宋美榮教授團隊等曾在Science 子刊Science advance（2017年 IF=11.511）, Nature 子刊NPG Asia Materials（2016年IF=9.157）上面發表兩篇相關文章。

來源：

植物研究進展

河南農業大學

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