河南农业大学JAFC：超疏水表面自供电增强雾滴在植物叶片上的包抄沉积效率

引言

自然界，很多病虫害发生在植物叶片背面，精准施药对保障作物健康、提高产量至关重要。同时，农药过量使用导致经济损失、生态破坏及食品安全隐患。中国农业农村部已出台《到2025年化学农药减量化行动方案》，以应对农药滥用问题。尽管叶片正面沉积技术已取得巨大进展，然而背面沉积仍面临巨大挑战。液滴的可控取向传输能显著提升农药靶向利用率，减少环境危害，推动农业可持续发展。静电喷雾器可以实现雾滴在叶片背面的包抄沉积，但是其存在仪器设备昂贵、能耗高等问题。因此，开发一种新型提高雾滴荷电性能并实现雾滴在植物叶片背面沉积的技术至关重要。

成果简介

河南农业大学理学院宋美荣教授和王亚玲教授等人合作，江雷院士进行了指导，报道了一种超疏水表面增强雾滴荷电性能及包抄沉积效率的新方法。本研究首先是发现了雾滴在向雾面为氟化超疏水表面的基底上，背雾面的沉积效率会大幅增加。机理研究表明，液滴与氟化超疏水表面接触后，喷雾的荷正电特性增强，同时背面因为感应带负电，雾滴和背雾面增强的静电吸引力使雾滴绕过正面至背面沉积。此外，非极性超疏水表面与天然植物叶片类似，为实现在植物叶片的背面沉积，作者设计了一种超疏水管式喷雾，通过耦合接触起电与感应起电效应增强喷雾液滴的电荷量，这种管式喷雾（T-spraying）方法实现了三种超疏水叶片的背面沉积密度的显著提升。该成果为农业与工业领域的先进喷雾技术和背面沉积创新提供了重要突破。相关研究成果以题为 “Self-powered Wraparound (Abaxial) Droplet Deposition via a Superhydrophobic Surface Aid” 发表于Journal of Agricultural and Food Chemistry (2025, 73: 2773-2783)。

图文导读

图1氟化超疏水表面增强雾滴包抄沉积实验

(a)包抄沉积实验装置图；(b)—(d)雾滴分别在HL/HL、HL/SHB、SHB/HL和SHB/SHB基底背面的包抄沉积序列图及侧视代表图；(f)四种基底包抄沉积密度比较；(g)四种基底包抄沉积密度的相对标准偏差(RSD)。其中HL代表亲水表面，SHB代表超疏水表面。

图1表明，当雾滴喷在向雾面为超疏水表面的基底上时，无论背雾面的浸润性如何，其背面沉积的液滴数目都远远大于向雾面为亲水表面的基底。侧面视频可以明显观察到雾滴从超疏水表面弹起后又绕行至背面沉积的画面。向雾面为超疏水表面时，雾滴不仅在背面的沉积效率增加，而且沉积的均匀性也有所增加（RSD变小）。

图2氟化超疏水表面增强包抄沉积机理

(a)喷雾前后基底背面电压变化；(b)喷雾时基底背面的电流变化；(c)直喷和反弹喷雾的荷质比；(d)氟化超疏水表面增强雾滴包抄沉积机理示意图。

图2表明，向雾面为氟化超疏水表面的基底能够增强雾滴包抄沉积效率的原因是: 雾滴和超疏水表面可以发生固液接触荷电效应，雾滴弹起后，正电荷质比增加，同时由于静电感应，基底背面带上负电荷，这样雾滴和基底背面的静电引力增加，因此可以促进液滴绕行至背面沉积，即包抄沉积。

图3超疏水表面成分对包抄沉积的影响

(a)F-ed-SiO2、硬脂酸和石蜡SHB表面接触角和雾滴包抄沉积密度；(b)F-ed-SiO2、硬脂酸和石蜡SHB表面反弹喷雾荷质比；(c)SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蜡) /HL基底喷雾前后背面电压变化；(d)不同SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蜡)/HL基底在喷雾过程中正反表面的电流；(e)喷雾过程中SHB (F-ed-SiO2、硬脂酸和石蜡)/HL基底中电荷转移示意图；(f) -C-H链和-C-F链与水分子的结合情况和电荷密度差异比较。

图3表明，当超疏水表面成分为氟化氧化硅、硬脂酸、石蜡时，氟硅烷修饰的氧化硅超疏水表面增强雾滴包抄沉积的效率最高，雾滴反弹后获得的正电荷质比最大，基底背面电压变负最多。当超疏水表面为硬脂酸或者石蜡时，雾滴虽然也可以获得正电荷，但是荷质比较小，基底背面电压变化也较小，所以包抄沉积效率较低。原因是表面为氟碳链时，氟原子电负性大，容易夺取水滴中的电子，使得雾滴荷正电；表面为烷基碳链时，获取水滴中电子的能力较差，因此固液接触荷电能力差所致。

图4基底介电常数和厚度对包抄沉积的影响

(a)PTFE、PS和PMMA基底的介电常数和对应SHB表面接触角；(b)三种SHB/HL (PTFE、PS和PMMA)基底的雾滴包抄沉积密度；(c)包抄沉积密度与基底介电常数和厚度之间的关系。

图4表明，当基地材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA时，其介电常数较聚苯乙烯PS、聚四氟乙烯PTFE较大，背面的包抄沉积效率较高，且基底较薄时，背面沉积效率也较高。

图5氟化超疏水PTFE管增强喷雾荷质比

(a)超疏水表面的扫描电镜图像与接触角图；(b)氟化超疏水PTFE管增强喷雾荷质比示意图；(c)D-spraying和T-spraying荷质比对比图；(d)接触荷电和感应荷电协同增强雾滴荷质比；(e)非碰撞液滴平移运动的典型例子；(f)单个雾滴直接掉落和通过SHB PTFE管的电荷比较以验证感应荷电；(g)采用自制三维电位扫描仪测得的超疏水管表面电位分布图；(h)—(i)管长和管径对增强喷雾荷质比的影响。

图5表明，采用超疏水管式喷雾后，雾滴的荷质比提升十几倍，且水平管大于倾斜管和垂直管。原因是雾滴经过超疏水管时，在水平管可以发生涡流现象，增强了雾滴的接触荷电机会。管壁接触荷电后，本身会带上相反电荷，从而又可以诱导未接触的雾滴感应荷电，接触荷电和诱导荷电耦合作用增强雾滴荷电。研究还发现超疏水管有一个最佳的尺寸，管长为10 cm，内径为18 mm，管壁为2 mm时雾滴荷电效果最好。

图6通过管式喷雾增强雾滴在超疏水植物叶片上的包抄沉积

(a, b, c)探春,龙爪槐,三叶草叶片图.(a1, b1, c1)叶片正面和(a2, b2, c2)叶片背面环境扫描电子显微镜图；(d)三种叶片(探春、龙爪槐、三叶草)包抄沉积对比图比较；(e)D-spraying和T-spraying在三种叶片背面包抄沉积密度比较；(f)D-spraying和T-spraying在三种叶片背面包抄沉积密度的RSD；(g)三种叶片在D-spraying和T-spraying过程中内部电流变化；(h)三种叶片的介电常数。

图6表明，超疏水管式喷雾可以大幅增强雾滴在超疏水植物叶片探春, 龙爪槐, 三叶草背面的沉积效率5倍以上，且均匀性也增加。这些植物叶片背面有很多气孔，背面沉积有利于药物以及营养成分更好地被叶片吸收。

小结

综上所述，该研究首次证明了氟化超疏水表面在不需要外加电源的情况下能增强雾滴的荷电性能以及在基底背面的包抄沉积效率，相关策略将推动农药喷洒向高效、低环境风险方向迈进，大大减少农用化学品的浪费，助力可持续农业目标的实现。未来可进一步优化材料与设备设计，扩大在复杂场景中的应用范围。

文献详情：

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

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