江雷院士《Science Advances》：挑战不可能，让超疏水表面留住水

原创 2017-05-24 Huaxuejia 化学加

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导读

液体在表面材料上的分布一直是重要的研究课题，在实际生产生活中，喷洒、涂覆等过程均与之有关。比如，在农业生产中喷农药的过程中，就产生了一个非常棘手的问题：如何让农药溶液液滴尽可能地留在植物表面，减少损失从而进一步降低成本和污染。最近，中科院理化技术研究所的江雷院士团队发展了基于新型表面活性剂的方法来克服上述问题。

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喷洒农药可以说是一项技术活，农民伯伯们挥汗如雨，辛勤劳作，然而由于农药溶液液滴存在回弹、泼溅等问题，多达50%的农药其实并未最终存留于农作物表面而被白白地浪费掉了。这似乎是一个无法解决的问题，因为众所周知，植物叶子表面往往都“出淤泥而不染”，用专业的话语来说，它们是一种天然的超疏水表面。所谓鱼和熊掌不可兼得，既然它们能够“出淤泥而不染”，它们就会排斥包括农药溶液在内的外来液滴，所以，这就产生了一个看似无解的科学难题：如何让这些天然超疏水表面留住农药的水溶液液滴呢？
最近，来自中科院理化技术研究所的江雷院士、Zhichao Dong、Yilin Wang团队发展了一种新型的表面活性剂AOT，使用含量在1%时，可以使得水溶液液滴优先“吸附”在植物表面，极大地抑制了其因泼溅、滚落等原因造成的损失，对农药配方的设计有着重大的意义和参考价值，该项研究成果发表在《Science Advances》。
（含1%AOT的溶液滴落在植物叶片上呈现均匀分布，其他三种对照组溶液液滴发生不同的破碎、回缩、弹跳等现象。对照组分别为纯水、含常规表面活性剂SDS或TS的溶液。）
由上图可以看到，若液滴中含有1%的AOT，下落的液滴会在2ms内迅速扩展出较大的润湿面积，然后液滴破碎但是回退层流被极大地抑制并最终维持其润湿面积。
并且，这种性能不仅对于叶片等天然的超疏水表面有效，对于多种人工制备的超疏水表面同样有效。
（含有1%AOT的水溶液液滴落在人工超疏水表面）
那么，AOT何以让超疏水表面留住水呢？原来，在合适的浓度下，传统的表面活性剂水溶液中仅仅只能形成零星分布的胶束结构，而含AOT的水溶液却可以在空气/水界面处形成多层结构的囊泡，这些众多大尺寸囊泡的存在抑制了液滴铺展开后的回退过程，具体来讲，囊泡聚集体具有最低的DST值，众多的囊泡会迅速填满液滴落在表面瞬间产生的空间，并维持较低且均匀的表面张力。
（AOT在水溶液中形成囊泡）
（不含表面活性剂（A）、含有常规胶束型表面活性剂（B）与AOT表面活性剂（C）液滴落在疏水表面后机理差异）
不过该研究工作也有小小的遗憾，即没有给出在常规农药试剂存在的情况下，AOT溶液还能否真正发挥效应，也没有说明AOT的大规模使用的生物毒性问题。不过，这项研究依旧让人们对于液体在表面分布的理解更进一步，对于农药配方设计具有很大的参考意义。
参考文献：
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