近日，中國科學院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學中心董智超研究員、于存龍工程師團隊提出一種新的力學表征參數(shù)——K值。該方法通過直接測量液滴動態(tài)后退過程中的力-位移曲線，規(guī)避了光學失真，為量化表面的“動態(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級博士研究生展梓棟。
 

　　研究團隊回歸力學本質(zhì)，創(chuàng)新測量方法：使用懸掛水滴的力學探頭與基底進行可控的相對運動，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(接近零或較小負值)，表面越“防水”，液滴越易彈開；K值越大(負值越大)，則表面“粘性”越強，液滴越難脫離(圖1)。
 

圖1 力學特征值K表征動態(tài)防水性示意圖
 

　　研究證實，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)，對應接觸線平穩(wěn)滑動；后者K絕對值很小(K值約-5 mN/m)，對應接觸線的“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值在后退過程中會發(fā)生相應振蕩，實時映射出表面亞微米尺度的異質(zhì)性，分辨率遠超傳統(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)
 

　　為驗證K值的實用性，團隊進行了為期30天的戶外暴露實驗。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，動態(tài)排斥性下降。這表明，K值可作為表面在實際環(huán)境中自清潔性能衰退的實時、定量指標(圖3)。
 

圖3 K值評價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)方法難以量化其細微差別。團隊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)越復雜、密度越高，K值越大(負值減小)。通過化學去除蠟層后，葉片K值顯著降低。這證明K值能為快速評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雜的動態(tài)場景之一。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在反彈周期的末尾，存在一個與準靜態(tài)后退力學相似的短暫狀態(tài)?；诖耍麄冏C明了準靜態(tài)測得的K值，其數(shù)量級可直接用于預測表面的沖擊排斥能力。實驗表明，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)表面則能實現(xiàn)多次高效反彈(圖5)。
 

圖5 K值預測液滴沖擊動力學
 

　　本研究提出的力度量K，成功將動態(tài)潤濕性表征從定性、易擾的光學觀測推進到精準、定量的力學測量。它深刻關(guān)聯(lián)了表面微觀結(jié)構(gòu)、宏觀力學響應與實際應用性能，在仿生材料設(shè)計、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，該方法有望進一步擴展至其他液體體系的研究中。
 

　　該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委和中國科協(xié)青年人才托舉工程項目的支持。(稿件來源：仿生智能界面科學中心)