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近日，北京理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在疏水植物界面浸潤(rùn)性研究領(lǐng)域取得突破，該研究指出表面極性是決定植物葉片表面浸潤(rùn)性的關(guān)鍵，澄清了傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)所認(rèn)為的微納結(jié)構(gòu)和蠟質(zhì)層為疏水主導(dǎo)因素的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。相關(guān)研究成果以 “Beyond Microstructures: Surface Polarity as the Key To Reversible Hydrophobicity in Natural Plant Leaves” 為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Langmuir》上（DOI:10.1021/acs.langmuir.5c05926）。北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院王業(yè)亮教授、劉霞教授，前沿交叉科學(xué)研究院黃元教授為論文共同通訊作者，前沿交叉科學(xué)研究院博士生劉冠初為第一作者。

圖1 四種不同植物葉片疏水性與親水性的可逆調(diào)控

植物葉片的超疏水特性，如荷葉、水稻葉的 “出淤泥而不染”，長(zhǎng)期被歸因于表面的層級(jí)微納結(jié)構(gòu)和蠟質(zhì)涂層，這一認(rèn)知也成為相關(guān)仿生材料研發(fā)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的重要理論依據(jù)。然而，實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物葉片的強(qiáng)疏水性導(dǎo)致農(nóng)藥液滴易反彈、難附著，造成大量農(nóng)藥流失和環(huán)境污染，而現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)葉片疏水性與親水性的可控、可逆轉(zhuǎn)換。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)以水稻、荷葉、蘆葦、三葉草四種典型疏水植物葉片為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了基于氧等離子體的表面改性策略，實(shí)現(xiàn)了葉片疏水性與親水性的可逆切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng) 1-3 秒氧等離子體處理后，四種葉片的水接觸角從初始的 120° 以上（蘆葦葉達(dá) 138°）驟降至 15-27°，完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性；而通過(guò)接地導(dǎo)走表面電荷或去離子水沖洗的方式，葉片接觸角可恢復(fù)至 125° 左右，重新恢復(fù)疏水性。更值得關(guān)注的是，該可逆切換過(guò)程可穩(wěn)定重復(fù)百次以上，荷葉經(jīng) 100 次循環(huán)處理后接觸角僅小幅下降，其余三種葉片變化均小于 8°，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖2 等離子體處理前后四種典型疏水性植物葉片表面形貌的比較

圖3 水稻、荷葉、蘆葦及三葉草葉片經(jīng)多次處理后的接觸角恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

圖4 氧等離子體處理后表面電荷驗(yàn)證

為驗(yàn)證核心調(diào)控機(jī)制，團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨率掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等多種表征手段證實(shí)，等離子體處理未改變?nèi)~片的微納結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成（蠟質(zhì)層無(wú)明顯變化），排除了結(jié)構(gòu)和化學(xué)改性的影響。進(jìn)一步利用單層石墨烯、驗(yàn)電器等開(kāi)展電荷表征實(shí)驗(yàn)，明確了等離子體處理會(huì)在葉片表面引入均勻正電荷，這是導(dǎo)致疏水性向親水性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵；而電荷的移除則是葉片恢復(fù)疏水的核心原因，由此確立了表面極性（電荷） 作為植物葉片潤(rùn)濕性調(diào)控的主導(dǎo)因素。

該研究的另一重要價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)應(yīng)用的初步驗(yàn)證。水稻田中的水稻莖稈與水平面夾角常超 60°，傳統(tǒng)農(nóng)藥液滴在疏水水稻葉片上易反彈流失，而經(jīng)等離子體處理后的水稻葉片，在大傾角范圍內(nèi)仍能實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥液滴的有效鋪展和附著，顯著提升了農(nóng)藥利用率。同時(shí)，該方法實(shí)現(xiàn)的親水性具有可逆性，后續(xù)降雨或水洗可移除農(nóng)藥殘留并恢復(fù)葉片固有疏水性，兼顧了農(nóng)藥利用效率與食品、環(huán)境安全。

與傳統(tǒng)的電浸潤(rùn)（EWOD）等浸潤(rùn)性調(diào)控技術(shù)相比，該研究提出的策略具有無(wú)接觸、無(wú)電極、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需對(duì)天然不規(guī)則的植物表面進(jìn)行復(fù)雜改性，更適合田間實(shí)際應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)不僅重塑了對(duì)天然生物表面疏水性形成機(jī)制的理解，突破了經(jīng)典的 “結(jié)構(gòu)-化學(xué)” 雙因素模型，還為功能材料的潤(rùn)濕性工程化設(shè)計(jì)提供了新范式。

在農(nóng)業(yè)應(yīng)用層面，該技術(shù)為精準(zhǔn)農(nóng)藥遞送、可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理提供了全新解決方案，若能開(kāi)發(fā)出便攜式、大田適用的等離子體發(fā)生設(shè)備，有望大幅降低農(nóng)藥使用量，減少農(nóng)業(yè)面源污染，助力綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，該機(jī)制也為自清潔表面、微流控芯片、油水分離等領(lǐng)域的材料設(shè)計(jì)提供了新的思路，具有廣泛的跨學(xué)科應(yīng)用前景。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心等項(xiàng)目的資助。

論文詳情：Guan-chu Liu, Jia-hao Yan, Li Zheng, Xu Han, Long-shuo Gu, Qi-liang Huang, Han-yuan Chen, Sheng Meng, Li-wei Liu, Yun-yun Dai, Xia Liu,* Ye-liang Wang,* and Yuan Huang*，Langmuir., 42(4), 3512 (2026).

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c05926

附作者簡(jiǎn)介：

王業(yè)亮，北京理工大學(xué)教授，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才。近年發(fā)展新型外延生長(zhǎng)技術(shù)，針對(duì)大功率器件與材料、低功耗超高密度信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的瓶頸，開(kāi)發(fā)基于新原理的新工藝，在原子尺度上針對(duì)新型電子材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、性能測(cè)量和調(diào)控、器件設(shè)計(jì)和性能測(cè)試。主要研究成果包括在Nature, Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊發(fā)表論文400余篇，英文書(shū)籍5個(gè)章節(jié)（1個(gè)為書(shū)籍封面），被引15000余次，其中單篇最高他引2000多次，曾入選“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”。多項(xiàng)工作被Nature及其子刊作為研究亮點(diǎn)報(bào)道，獲得國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議40多次邀請(qǐng)報(bào)告。

黃元，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，重慶市杰青，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者，中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)數(shù)理分會(huì)理事，中國(guó)科協(xié)“中國(guó)科技新銳人物”。曾獲中國(guó)電子學(xué)會(huì)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)現(xiàn)協(xié)會(huì)二等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明博覽會(huì)銀獎(jiǎng)（排名第一）等榮譽(yù)。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料制備，表征，物性測(cè)量/調(diào)控，以及相關(guān)交叉科學(xué)等研究方向。以第一/通訊作者在Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Nano, Nano Letters,  Advanced Materials等共計(jì)發(fā)表SCI論文170余篇，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章70余篇，論文總引用10000余次。擔(dān)任《InfoScience》《Applied Physics Review》副主編。 

劉霞，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院教授，主要從事界面物理、功能材料改性及器件應(yīng)用研究，在生物界面潤(rùn)濕性、低維材料界面調(diào)控等領(lǐng)域取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果，相關(guān)研究發(fā)表于Langmuir、Adv. Mater. 等國(guó)際期刊，為功能材料的工程化應(yīng)用提供了重要理論和技術(shù)支撐。