江雷院士、董智超研究员ACS Nano：纳米界面控制技术，实现高效农药喷洒

随着全球人口突破80亿（2022年），2050年预计将超100亿，粮食安全压力持续加剧。然而，新冠疫情、地缘冲突和极端气候导致全球饥饿人口激增，2021年达7.68亿。农药作为提升单位面积产量的关键手段，其应用效率低下问题日益凸显——超疏水性作物叶片（占地球表面积50%）导致农药液滴滞留率不足30%，每年超27万吨农药（中国2020年数据）流失至环境中，污染土壤、水源并引发抗药性物种（全球已发现262种抗除草剂杂草）。圣卢西亚等地区农药用量甚至达全球平均水平的7-10倍，亟需技术突破。

中国科学院理化技术研究所江雷院士、董智超研究员、湖南省农业科学院柏连阳院士、中国科学技术大学王毅琳研究员、中国科学院北京纳米能源与系统研究所李宁副研究员在《ACS Nano》发表前瞻性综述，提出通过纳米尺度固液界面控制提升农药应用效率。研究系统总结了叶片微纳结构特性与液滴动力学的相互作用机制，揭示了添加剂优化滞留效率的关键原理，并指出纳米农药可显著增强活性成分渗透性。该成果为开发可持续高效农药喷洒系统提供了跨学科解决方案，推动农业绿色转型。

图1. 农药喷洒中的液滴损失与潜在影响 (a) 农药喷洒液滴损失示意图 (b) 添加剂控制的滞留过程时空尺度（τ = 冲击时间，ρ = 液滴密度，R = 液滴半径，γ = 液滴表面张力，L = 表面活性剂迁移距离，D = 表面活性剂迁移速度） (c) 农药液滴损失对环境和人类的影响

叶片特性如何影响农药滞留

作物叶片独特的物理化学结构是农药流失的核心因素（图2）。玉米、小麦等叶片因微米级乳突结构和蜡质层呈现超疏水性（接触角>150°），导致液滴接触时间缩短至6毫秒（如水稻叶片），滞留效率骤降。叶片曲率（厘米级）、叶脉与毛状体（毫米级）及蜡质化学成分（分子级）共同调控润湿性：大豆生长早期（GS11）蜡质覆盖率低，滞留效率比成熟期（GS16）高30倍。而病害入侵会进一步改变叶片形貌，加剧农药流失风险。

图2. 不同尺度的植物表面特性 (a) 玉米(i)、小麦(ii)、棉花(iii)的表观形态与接触角数据 (b) 厘米级物理结构：叶片自然曲率 (c) 毫米级物理结构：叶面叶脉与毛状体 (d) 微纳尺度叶片表面物理结构 (e) 叶片蜡质层主要化学成分

液滴动力学模型揭示关键参数

液滴撞击行为直接决定农药去向（图3）。在超疏水表面，液滴呈现飞溅、部分反弹等4种失效模式；而在亲水表面则经历撞击-铺展-回缩-滞留的完整过程。研究发现，接触时间（t）和韦伯数（We）是核心指标：t≈(ρR³/γ)1/2（R为液滴半径）越短，反弹概率越高；We=ρV²R/γ（V为撞击速度）越高，液滴变形越剧烈。宏观结构可打破对称性回缩——百微米级沟槽使t/t₀降至1.4，曲面结构则通过轴向收缩率差异实现非对称反弹。

图3. 液滴在叶片表面的冲击行为 (a) 常见液滴冲击过程； (b) 不同类型的液滴损失行为； (c) 不同宏观结构表面的液滴分裂行为。

智能添加剂实现毫秒级精准调控

表面活性剂通过微纳尺度界面作用提升效率（图4）。对比普通水滴（完全飞溅）和十二烷基硫酸钠（SDS）溶液（部分飞溅），双链囊泡表面活性剂AOT能在1毫秒内沿叶片微结构快速铺展，使超疏水表面实现完全滞留（图4a-c）。其机制在于：多脂质层囊泡在气/液界面快速扩散，促使液滴在铺展阶段完成润湿性转换，最终嵌入纳米针间隙（图4c）。而聚合物添加剂如聚环氧乙烷（PEO）通过增加粘弹性抑制液滴回弹，与AOT复配可协同提升滞留率40%（图5）。

图4. 表面活性剂在微纳尺度的作用机制 (a) 高速冲击液滴在超疏水叶片表面的沉积：(i)水 (ii)SDS (iii)AOT (b) 微纳结构提升液滴滞留效率原理图（动态视频见Movie S1） (c) 冷冻电镜显示冲击后胶束与囊泡表面活性剂在超疏水表面的最终润湿状态

生物基纳米材料与电场辅助技术

为减少传统添加剂的环境风险，团队开发生物基纳米材料：甘草酸（GL）纳米纤维通过能量耗散抑制反弹（图5e）；木质素/表面活性剂凝聚体形成纳米网络增强铺展（图5f）。同时，电场辅助技术展现巨大潜力——带电液滴可消除气膜抑制飞溅（图5g-i），静电喷嘴内壁超疏水改性进一步提升沉积率。加州草莓园实践证实，静电喷雾结合牵引真空装置可高效防控虫害。

图5. 液滴添加剂对滞留的影响 (a) 表面活性剂：球状囊泡(i)、膜状囊泡(ii)、蠕虫状胶束(iii) (b) 聚合物 (c) 二元添加剂 (d-f) 生物质纳米添加剂：GL纳米纤维(d)、CNF纳米纤维(e)、木质素/表面活性剂凝聚体(f) (g-i) 电场辅助：中性液滴(g)、带正电液滴(h)、正负电液滴共存(i)

纳米农药开启精准递送新时代

纳米农药按粒径与结构分为两类（图6a）：Ⅰ型为单质纳米颗粒（如银/铜），Ⅱ型为载药纳米胶囊。粒径决定渗透路径：40纳米颗粒通过气孔（图6b），100-300纳米颗粒借助水孔（图6c），300-500纳米颗粒则从损伤组织进入（图6d）。表面电荷显著提升渗透效率——带正电纳米粒穿透力是负电粒的3倍（图6e），中等疏水性颗粒（H=0.68）最易跨膜（图6f），为精准递送提供新策略。

图6. 纳米农药在植物中的渗透 (a) 不同类型纳米农药示意图 (b) 蚕豆叶气孔纵切面（左）与表面（右）显微图（紫色球体代表纳米农药颗粒） (c) 芥菜叶水孔纵切面（左）与透射电镜图（右） (d) 小麦叶损伤位点扫描电镜图 (e) 不同表面电荷纳米颗粒在植物叶细胞的渗透差异 (f) 不同疏水性聚合物链的膜渗透模拟快照

未来展望：跨学科协作推动农业可持续发展

研究团队呼吁建立"技术-政策-实践"三位一体体系（图7b）：优先发展纳米农药、智能添加剂及精准喷洒技术；制定液滴滞留效率与环境安全评估标准；促进表界面物理化学、流体力学与农药科学交叉融合；加强全球农业技术适配性研究。通过纳米尺度界面控制的创新，人类有望在保障粮食安全的同时，实现农药减量30%的绿色目标。

图7. 纳米尺度界面驱动农药应用效率的综合分析 (a) 本研究的逻辑分析路线 (b) 未来展望要点

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！