在材料科学、农业植保及自清洁技术等领域，精准表征表面的动态防水能力至关重要。传统基于光学成像的接触角测量方法易受干扰，难以反映液滴在冲击、滑动等真实动态过程中的行为。

近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心董智超研究员、于存龙工程师团队提出一种新的力学表征参数——K值。该方法通过直接测量液滴动态后退过程中的力-位移曲线，规避了光学失真，为量化表面的“动态排斥性”提供了普适、可靠的高分辨率工具。相关研究论文已发表于ACS Nano，论文通讯作者为董智超研究员和于存龙工程师，第一作者为2021级博士研究生展梓栋。

研究团队回归力学本质，创新测量方法：使用悬挂水滴的力学探头与基底进行可控的相对运动，并高精度记录液滴后退过程中法向力（F）随基底高度（H）的变化曲线。他们发现，在后退阶段，F-H关系近似线性，其斜率被定义为特征值K。K值物理意义明确，其绝对值大小直接反映液滴脱离表面的难易程度：K值越小（接近零或较小负值），表面越“防水”，液滴越易弹开；K值越大（负值越大），则表面“粘性”越强，液滴越难脱离（图1）。

图1 力学特征值K表征动态防水性示意图

研究证实，K值能清晰区分超疏水表面不同的微观润湿状态。对于典型的Wenzel状态（液滴浸润粗糙结构）和Cassie状态（液滴坐于空气垫上），K值表现出显著差异：前者K绝对值较大（K值约为-70 mN/m），对应接触线平稳滑动；后者K绝对值很小（K值约-5 mN/m），对应接触线的“粘-滑”脱钉行为。更突出的是，对于微观结构不均一的“混合”基底，K值在后退过程中会发生相应振荡，实时映射出表面亚微米尺度的异质性，分辨率远超传统方法（图2）。

图2 K值区分超疏水表面不同的微观润湿状态

为验证K值的实用性，团队进行了为期30天的户外暴露实验。结果显示，材料的积尘情况与其K值变化直接相关。例如，一块超疏水织物初始K值为-7 mN/m，抗污染性能优异；30天后，因表面附着灰尘，其K值变为-54 mN/m，动态排斥性下降。这表明，K值可作为表面在实际环境中自清洁性能衰退的实时、定量指标（图3）。

图3 K值评价超疏水织物户外自清洁能力

作物叶片的蜡质层是其天然“防水衣”，但传统方法难以量化其细微差别。团队测量了多种禾本科植物叶片，发现K值与表皮蜡晶的密度和形态系统相关：蜡晶结构越复杂、密度越高，K值越大（负值减小）。通过化学去除蜡层后，叶片K值显著降低。这证明K值能为快速评估作物叶片的排水与抗附着能力提供关键量化依据，助力抗性品种筛选（图4）。

图4 K值解析农业植物叶片表面蜡质防水特性

液滴撞击反弹是最复杂的动态场景之一。研究团队发现，在反弹周期的末尾，存在一个与准静态后退力学相似的短暂状态。基于此，他们证明了准静态测得的K值，其数量级可直接用于预测表面的冲击排斥能力。实验表明，仅凭K值单一参数，就能高分辨率地区分不同基底的水滴回弹行为：K值很大（约-10² mN/m）的光滑表面几乎不反弹；K值中等（约-70 mN/m）的微结构表面可反弹一次；而K值很小（约-10¹ mN/m）的稳固微纳结构表面则能实现多次高效反弹（图5）。

图5 K值预测液滴冲击动力学

本研究提出的力度量K，成功将动态润湿性表征从定性、易扰的光学观测推进到精准、定量的力学测量。它深刻关联了表面微观结构、宏观力学响应与实际应用性能，在仿生材料设计、智慧农业、表面工程等领域展现出作为基础性表征工具的广阔潜力。未来，该方法有望进一步扩展至其他液体体系的研究中。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科协青年人才托举工程项目的支持。

论文信息：Zidong Zhan, Cunlong Yu,* Zhuoxing Liu, Chuxin Li, Lei Jiang, and Zhichao Dong*. Dynamic Repellency of Water-Proof Surfaces. ACS Nano 2025, 19, 40527–40535. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15126