北理工團隊揭示疏水植物葉片表面浸潤性新機理
發(fā)布日期：2026-03-13 供稿：前沿交叉科學院 黃元 攝影：前沿交叉科學院
編輯：吳雨凝 審核：鄭德智 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學科研團隊在疏水植物界面浸潤性研究領域取得突破，該研究指出表面極性是決定植物葉片表面浸潤性的關鍵，澄清了傳統(tǒng)觀點所認為的微納結構和蠟質(zhì)層為疏水主導因素的認識誤區(qū)。相關研究成果以 “Beyond Microstructures: Surface Polarity as the Key To Reversible Hydrophobicity in Natural Plant Leaves” 為題發(fā)表在國際知名期刊《Langmuir》上（DOI:10.1021/acs.langmuir.5c05926）。北京理工大學集成電路與電子學院王業(yè)亮教授、劉霞教授，前沿交叉科學研究院黃元教授為論文共同通訊作者，前沿交叉科學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”，長期被歸因于表面的層級微納結構和蠟質(zhì)涂層，這一認知也成為相關仿生材料研發(fā)和農(nóng)業(yè)應用的重要理論依據(jù)。然而，實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物葉片的強疏水性導致農(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)有技術難以實現(xiàn)葉片疏水性與親水性的可控、可逆轉(zhuǎn)換。
針對這一科學問題和產(chǎn)業(yè)痛點，研究團隊以水稻、荷葉、蘆葦、三葉草四種典型疏水植物葉片為研究對象，開發(fā)了基于氧等離子體的表面改性策略，實現(xiàn)了葉片疏水性與親水性的可逆切換。實驗結果顯示，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 138°）驟降至 15-27°，完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性；而通過接地導走表面電荷或去離子水沖洗的方式，葉片接觸角可恢復至 125° 左右，重新恢復疏水性。更值得關注的是，該可逆切換過程可穩(wěn)定重復百次以上，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實驗
圖4 氧等離子體處理后表面電荷驗證
為驗證核心調(diào)控機制，團隊通過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，等離子體處理未改變?nèi)~片的微納結構和表面化學組成（蠟質(zhì)層無明顯變化），排除了結構和化學改性的影響。進一步利用單層石墨烯、驗電器等開展電荷表征實驗，明確了等離子體處理會在葉片表面引入均勻正電荷，這是導致疏水性向親水性轉(zhuǎn)變的關鍵；而電荷的移除則是葉片恢復疏水的核心原因，由此確立了表面極性（電荷） 作為植物葉片潤濕性調(diào)控的主導因素。
該研究的另一重要價值在于實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)應用的初步驗證。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，該方法實現(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（EWOD）等浸潤性調(diào)控技術相比，該研究提出的策略具有無接觸、無電極、操作簡便的優(yōu)勢，無需對天然不規(guī)則的植物表面進行復雜改性，更適合田間實際應用。這一發(fā)現(xiàn)不僅重塑了對天然生物表面疏水性形成機制的理解，突破了經(jīng)典的 “結構-化學” 雙因素模型，還為功能材料的潤濕性工程化設計提供了新范式。
在農(nóng)業(yè)應用層面，該技術為精準農(nóng)藥遞送、可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理提供了全新解決方案，若能開發(fā)出便攜式、大田適用的等離子體發(fā)生設備，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，該機制也為自清潔表面、微流控芯片、油水分離等領域的材料設計提供了新的思路，具有廣泛的跨學科應用前景。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務費、中國科學院青年交叉團隊、北京凝聚態(tài)物理國家研究中心等項目的資助。
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
附作者簡介：
王業(yè)亮，北京理工大學教授，國家級領軍人才。近年發(fā)展新型外延生長技術，針對大功率器件與材料、低功耗超高密度信息存儲等領域的瓶頸，開發(fā)基于新原理的新工藝，在原子尺度上針對新型電子材料及其異質(zhì)結構的構建、性能測量和調(diào)控、器件設計和性能測試。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，英文書籍5個章節(jié)（1個為書籍封面），被引15000余次，其中單篇最高他引2000多次，曾入選“中國百篇最具影響國際學術論文”。多項工作被Nature及其子刊作為研究亮點報道，獲得國際重要學術會議40多次邀請報告。
黃元，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，國家優(yōu)秀青年基金獲得者，重慶市杰青，北京理工大學特立青年學者，中國科學院青促會數(shù)理分會理事，中國科協(xié)“中國科技新銳人物”。曾獲中國電子學會自然科學二等獎、中國發(fā)現(xiàn)協(xié)會二等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會銀獎（排名第一）等榮譽。主要研究領域集中在二維材料制備，表征，物性測量/調(diào)控，以及相關交叉科學等研究方向。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。擔任《InfoScience》《Applied Physics Review》副主編。
劉霞，北京理工大學集成電路與電子學院教授，主要從事界面物理、功能材料改性及器件應用研究，在生物界面潤濕性、低維材料界面調(diào)控等領域取得多項創(chuàng)新成果，相關研究發(fā)表于Langmuir、Adv. Mater. 等國際期刊，為功能材料的工程化應用提供了重要理論和技術支撐。
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