新力学特征值K实现动态防水性精确表征，赋能自清洁与智慧农业发展
在材料科学、农业植保以及自清洁技术等多个领域，准确描述表面在动态条件下的排水能力具有关键意义。传统依赖光学图像分析接触角的方法在实际动态场景中，如液滴冲击或滑动过程中，往往难以提供稳定可靠的数据。
近期，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心的董智超研究员与于存龙工程师团队提出了一种全新的力学表征参数——K值。该方法通过直接测量液滴在动态后退过程中的力-位移曲线，避免了光学方法中常见的失真问题，为评估材料的“动态排斥性”提供了一种通用、高精度的工具。相关成果发表于《ACS Nano》，董智超研究员和于存龙工程师为通讯作者，第一作者为2021级博士研究生展梓栋。
研究团队从力学角度出发，重构了动态排水性能的测量方式。他们采用悬挂式液滴探针，使其与材料表面进行可控的相对运动，并精准记录液滴后退过程中法向力（F）与基底高度（H）之间的关系曲线。研究发现，在液滴后退阶段，F-H曲线呈现出近似线性的关系，该线性段的斜率被定义为K值。K值的物理意义明确，其绝对值大小直接反映了液滴在表面脱离的难易程度：K值越小（接近零或为小负值），表明表面越“防水”，液滴更易弹开；反之，K值越大（负值越大），则表面“粘性”增强，液滴更难脱离。
图1 力学特征值K表征动态防水性示意图
进一步研究表明，K值能够有效区分不同类型的超疏水表面润湿状态。在经典的Wenzel状态（液滴浸润结构）与Cassie状态（液滴悬浮于空气垫上）之间，K值表现出显著差异：Wenzel状态的K值绝对值较大（约-70 mN/m），表现为液滴在表面稳定滑动；而Cassie状态的K值绝对值较小（约-5 mN/m），表现出液滴在接触线上发生“粘-滑”脱钉现象。更值得注意的是，对于微观结构不均的表面，K值在后退过程中会出现波动，能够实时反映亚微米尺度的表面异质性，其分辨率远超传统技术。
图2 K值区分超疏水表面不同的微观润湿状态
为验证K值在实际环境中的适用性，研究团队开展了一项为期30天的户外暴露实验。实验发现，材料表面的积尘情况与其K值变化密切相关。例如，一块初始K值为-7 mN/m的超疏水织物表现出良好的抗污染能力；30天后，由于灰尘附着，其K值上升至-54 mN/m，表面动态排斥能力显著下降。这表明K值可以作为评估表面在复杂环境下自清洁性能退化程度的定量指标。
图3 K值评价超疏水织物户外自清洁能力
在农业应用方面，研究团队对多种禾本科植物叶片进行了测试，发现K值与叶片表皮蜡晶的密度和结构密切相关。蜡晶结构越复杂、分布越密集，K值越大（负值越小）。通过化学手段去除蜡质层后，叶片的K值明显下降，表明K值能够作为快速评估植物叶片排水与抗附着能力的关键参数，为作物抗性品种的筛选提供科学依据。
图4 K值解析农业植物叶片表面蜡质防水特性
液滴撞击表面并反弹，是动态润湿过程中最复杂的场景之一。研究团队发现，在撞击反弹的末期，液滴会经历一段与准静态后退过程相似的短暂力学状态。基于这一现象，他们验证了通过静态测量得到的K值在冲击场景中具有可预测性。实验结果表明，仅通过K值这一参数，便能高精度区分不同材料在水滴回弹行为上的差异。例如，K值很大（约-100 mN/m）的光滑表面几乎不会反弹；K值中等（约-70 mN/m）的微结构表面可实现一次回弹；而K值较小（约-10 mN/m）的稳固微纳结构表面，则具备多次高效回弹能力。
图5 K值预测液滴冲击动力学
该研究提出的K值测量方法，成功将动态润湿性从定性和易受干扰的光学观测，提升到了精准、定量的力学表征层面。它不仅揭示了表面微观结构、宏观力学响应与实际功能之间的深层联系，也在仿生材料设计、智慧农业及表面工程等领域展现了广泛的应用潜力。未来，该方法有望拓展至其他液体系统的研究中。
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会以及中国科协青年人才托举工程项目的资助。（稿件来源：仿生智能界面科学中心）