CRPS：北化工胡君团队实现纳米螺旋带对液滴弹跳行为的调控 | Cell Press论文速递
物质科学
Physical science
近日，北京化工大学软物质高精尖中心胡君团队提出一种调控液滴弹跳行为的策略，利用天然三萜手性螺旋组装体与疏水表面微/纳米结构之间的物理缠结作用，消耗液滴动能，实现对液滴反弹的有效抑制。2022年3月15日，该研究以“Natural triterpenoid-tailored self-assembled chiral helical ribbons for regulating droplet bounce”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。通讯作者为胡君，第一作者为孟雨樟。
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液滴对固体界面的冲击在喷雾冷却、喷墨打印和农药喷洒等诸多场景均有发生。特别是在农药喷洒过程中，液滴反弹往往会导致农药偏离靶标植物叶片，农药利用率降低，造成生态环境的破坏。液滴反弹本质上源于植物叶片的疏水特性，因为蜡质层和微/纳米结构使得植物叶片拥有极低的表面自由能。因此，在过去的几十年里，寻找抑制液滴反弹的方法以增加液滴在疏水表面的沉积引起了人们极大的兴趣。
目前有三种常规方法被广泛用于增加液滴沉积效率：一是在液滴中加入表面活性剂，二是将柔性聚合物作为液滴添加剂，三是使用无机纳米颗粒。然而这些方法仍存在缺陷：（1）根据Kelvin-Helmholtz公式，表面活性剂引起的表面张力下降会增加冲击液滴的不稳定性，导致卫星液滴的形成，进而发生漂移和蒸发；（2）柔性聚合物和无机颗粒对疏水表面的润湿性较差，容易使液滴从表面滚落。
鉴于此，北京化工大学软物质高精尖中心胡君课题组提出一种利用超分子手性螺旋带调控液滴弹跳行为的方法。通过设计合成天然三萜两亲性分子，自组装获得超分子手性纳米螺旋带。当含螺旋带组装体的液滴撞击疏水固体表面时，螺旋带与疏水表面的微/纳米结构发生物理缠结，从而耗散掉液滴动能。与纯水滴完全回弹相比，含手性螺旋带的液滴在倾斜角为0°、30°及60°的疏水表面均有显著沉积。此外，其在水稻和韭菜叶片上也展现出相似的弹跳行为。
图1 天然三萜基手性螺旋带与疏水表面微/纳米结构之间的物理缠结
要点1：利用分子自组装实现天然三萜分子手性到超分子手性的传递和放大
甘草次酸作为一种典型的天然五环三萜化合物，具有刚性分子骨架、多反应位点和多手性中心，是构筑超分子手性组装体的理想基元。作者通过简单的化学修饰，将亲水吡啶盐基团与疏水甘草次酸连接，合成了两亲性甘草次酸衍生物MGP。结果显示，MGP在水中可以自组装形成宽度为20-30 nm的柔性手性螺旋带。变温紫外、变温圆二色谱、X射线衍射和分子动力学模拟实验发现，MGP在氢键和范德华力驱动下以“核-伸长”的协同模式实现了分子手性到超分子手性的传递和放大。
图2 天然三萜基两亲性分子自组装成手性纳米螺旋带
要点2：利用手性螺旋带与疏水表面微/纳米结构之间的物理缠结抑制液滴反弹
作者采用高速摄像机记录不同MGP浓度液滴撞击疏水表面的过程。当MGP浓度达到0.25 mM及以上时，液滴在疏水表面上的反弹被有效抑制。在排除动表面张力和溶液粘度对此现象的影响后，作者结合撞击过程中液滴的振幅波动、固液相互作用力变化以及撞击前后疏水表面微观形貌的不同，提出：手性柔性螺旋带的大长径比使其可以发挥类似柔性聚合物的作用，在冲击时可以与疏水基底的粗糙微/纳米结构缠结在一起，消耗冲击动能，从而抑制液滴反弹。此外，液滴与不同倾斜角度疏水基底以及不同微观形貌的植物叶面（水稻和韭菜）的撞击实验，进一步证实了上述物理缠结过程。
图3 含柔性螺旋带组装体的液滴在疏水表面的弹跳行为
小结
该项工作不仅介绍了一种利用超分子组装体抑制液滴反弹的策略，而且为人们进一步开发多场景下用于调控液滴弹跳的功能组份提供了新思路。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Natural triterpenoid-tailored self-assembled chiral helical ribbons for regulating droplet bounce
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00080-7
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100810
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