引言

自然界，很多病蟲害發(fā)生在植物葉片背面，精準施藥對保障作物健康、提高產量至關重要。同時，農藥過量使用導致經濟損失、生態(tài)破壞及食品安全隱患。中國農業(yè)農村部已出臺《到2025年化學農藥減量化行動方案》，以應對農藥濫用問題。盡管葉片正面沉積技術已取得巨大進展，然而背面沉積仍面臨巨大挑戰(zhàn)。液滴的可控取向傳輸能顯著提升農藥靶向利用率，減少環(huán)境危害，推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。靜電噴霧器可以實現(xiàn)霧滴在葉片背面的包抄沉積，但是其存在儀器設備昂貴、能耗高等問題。因此，開發(fā)一種新型提高霧滴荷電性能并實現(xiàn)霧滴在植物葉片背面沉積的技術至關重要。

成果簡介

河南農業(yè)大學理學院宋美榮教授和王亞玲教授等人合作，江雷院士進行了指導，報道了一種超疏水表面增強霧滴荷電性能及包抄沉積效率的新方法。本研究首先是發(fā)現(xiàn)了霧滴在向霧面為氟化超疏水表面的基底上，背霧面的沉積效率會大幅增加。機理研究表明，液滴與氟化超疏水表面接觸后，噴霧的荷正電特性增強，同時背面因為感應帶負電，霧滴和背霧面增強的靜電吸引力使霧滴繞過正面至背面沉積。此外，非極性超疏水表面與天然植物葉片類似，為實現(xiàn)在植物葉片的背面沉積，作者設計了一種超疏水管式噴霧，通過耦合接觸起電與感應起電效應增強噴霧液滴的電荷量，這種管式噴霧（T-spraying）方法實現(xiàn)了三種超疏水葉片的背面沉積密度的顯著提升。該成果為農業(yè)與工業(yè)領域的先進噴霧技術和背面沉積創(chuàng)新提供了重要突破。相關研究成果以題為 “Self-powered Wraparound (Abaxial) Droplet Deposition via a Superhydrophobic Surface Aid” 發(fā)表于Journal of Agricultural and Food Chemistry (2025, 73: 2773-2783)。

圖文導讀

圖1氟化超疏水表面增強霧滴包抄沉積實驗

(a)包抄沉積實驗裝置圖；(b)—(d)霧滴分別在HL/HL、HL/SHB、SHB/HL和SHB/SHB基底背面的包抄沉積序列圖及側視代表圖；(f)四種基底包抄沉積密度比較；(g)四種基底包抄沉積密度的相對標準偏差(RSD)。其中HL代表親水表面，SHB代表超疏水表面。

圖1表明，當霧滴噴在向霧面為超疏水表面的基底上時，無論背霧面的浸潤性如何，其背面沉積的液滴數(shù)目都遠遠大于向霧面為親水表面的基底。側面視頻可以明顯觀察到霧滴從超疏水表面彈起后又繞行至背面沉積的畫面。向霧面為超疏水表面時，霧滴不僅在背面的沉積效率增加，而且沉積的均勻性也有所增加（RSD變?。?/p>

圖2氟化超疏水表面增強包抄沉積機理

(a)噴霧前后基底背面電壓變化；(b)噴霧時基底背面的電流變化；(c)直噴和反彈噴霧的荷質比；(d)氟化超疏水表面增強霧滴包抄沉積機理示意圖。

圖2表明，向霧面為氟化超疏水表面的基底能夠增強霧滴包抄沉積效率的原因是: 霧滴和超疏水表面可以發(fā)生固液接觸荷電效應，霧滴彈起后，正電荷質比增加，同時由于靜電感應，基底背面帶上負電荷，這樣霧滴和基底背面的靜電引力增加，因此可以促進液滴繞行至背面沉積，即包抄沉積。

圖3超疏水表面成分對包抄沉積的影響

(a)F-ed-SiO2、硬脂酸和石蠟SHB表面接觸角和霧滴包抄沉積密度；(b)F-ed-SiO2、硬脂酸和石蠟SHB表面反彈噴霧荷質比；(c)SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蠟) /HL基底噴霧前后背面電壓變化；(d)不同SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蠟)/HL基底在噴霧過程中正反表面的電流；(e)噴霧過程中SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蠟)/HL基底中電荷轉移示意圖；(f) -C-H鏈和-C-F鏈與水分子的結合情況和電荷密度差異比較。

圖3表明，當超疏水表面成分為氟化氧化硅、硬脂酸、石蠟時，氟硅烷修飾的氧化硅超疏水表面增強霧滴包抄沉積的效率最高，霧滴反彈后獲得的正電荷質比最大，基底背面電壓變負最多。當超疏水表面為硬脂酸或者石蠟時，霧滴雖然也可以獲得正電荷，但是荷質比較小，基底背面電壓變化也較小，所以包抄沉積效率較低。原因是表面為氟碳鏈時，氟原子電負性大，容易奪取水滴中的電子，使得霧滴荷正電；表面為烷基碳鏈時，獲取水滴中電子的能力較差，因此固液接觸荷電能力差所致。

圖4基底介電常數(shù)和厚度對包抄沉積的影響

(a)PTFE、PS和PMMA基底的介電常數(shù)和對應SHB表面接觸角；(b)三種SHB/HL (PTFE、PS和PMMA)基底的霧滴包抄沉積密度；(c)包抄沉積密度與基底介電常數(shù)和厚度之間的關系。

圖4表明，當基地材料為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA時，其介電常數(shù)較聚苯乙烯PS、聚四氟乙烯PTFE較大，背面的包抄沉積效率較高，且基底較薄時，背面沉積效率也較高。

圖5氟化超疏水PTFE管增強噴霧荷質比

(a)超疏水表面的掃描電鏡圖像與接觸角圖；(b)氟化超疏水PTFE管增強噴霧荷質比示意圖；(c)D-spraying和T-spraying荷質比對比圖；(d)接觸荷電和感應荷電協(xié)同增強霧滴荷質比；(e)非碰撞液滴平移運動的典型例子；(f)單個霧滴直接掉落和通過SHB PTFE管的電荷比較以驗證感應荷電；(g)采用自制三維電位掃描儀測得的超疏水管表面電位分布圖；(h)—(i)管長和管徑對增強噴霧荷質比的影響。

圖5表明，采用超疏水管式噴霧后，霧滴的荷質比提升十幾倍，且水平管大于傾斜管和垂直管。原因是霧滴經過超疏水管時，在水平管可以發(fā)生渦流現(xiàn)象，增強了霧滴的接觸荷電機會。管壁接觸荷電后，本身會帶上相反電荷，從而又可以誘導未接觸的霧滴感應荷電，接觸荷電和誘導荷電耦合作用增強霧滴荷電。研究還發(fā)現(xiàn)超疏水管有一個最佳的尺寸，管長為10 cm，內徑為18 mm，管壁為2 mm時霧滴荷電效果最好。

圖6通過管式噴霧增強霧滴在超疏水植物葉片上的包抄沉積

(a, b, c)探春,龍爪槐,三葉草葉片圖.(a1, b1, c1)葉片正面和(a2, b2, c2)葉片背面環(huán)境掃描電子顯微鏡圖；(d)三種葉片(探春、龍爪槐、三葉草)包抄沉積對比圖比較；(e)D-spraying和T-spraying在三種葉片背面包抄沉積密度比較；(f)D-spraying和T-spraying在三種葉片背面包抄沉積密度的RSD；(g)三種葉片在D-spraying和T-spraying過程中內部電流變化；(h)三種葉片的介電常數(shù)。

圖6表明，超疏水管式噴霧可以大幅增強霧滴在超疏水植物葉片探春, 龍爪槐, 三葉草背面的沉積效率5倍以上，且均勻性也增加。這些植物葉片背面有很多氣孔，背面沉積有利于藥物以及營養(yǎng)成分更好地被葉片吸收。

小結

綜上所述，該研究首次證明了氟化超疏水表面在不需要外加電源的情況下能增強霧滴的荷電性能以及在基底背面的包抄沉積效率，相關策略將推動農藥噴灑向高效、低環(huán)境風險方向邁進，大大減少農用化學品的浪費，助力可持續(xù)農業(yè)目標的實現(xiàn)。未來可進一步優(yōu)化材料與設備設計，擴大在復雜場景中的應用范圍。

文獻詳情：

Self-powered Wraparound (Abaxial) Droplet Deposition via a Superhydrophobic Surface Aid

Kexin Shen，Congcong Fan，Shengbo Ge，Lixia Wang，Wenqian Yin，Yaling Wang*，Xiaoxia Wu，Xiangmeng Chen，Shun Wang，Meirong Song*，Lei Jiang

J. Agric. Food Chem.

https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c08585

長按掃碼，查看原文