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一個有趣的物理現象：液滴可帶起密度約為自身8倍的顆粒

  近期，香港城市大學Steven Wang教授聯合中國科學院過程工程研究所楊超院士、帝國理工學院Omar Matar院士等，從自然降雨清潔表面的現象獲得啟發，在超疏水基底上構建液滴撞擊顆粒的實驗體系，并結合理論分析與數值模擬，對液滴-顆粒相互作用進行了系統研究。研究發現，當約 5 μL 液滴撞擊表面單顆粒時，在適當條件下，液滴并不是簡單將顆粒推離原位，而是會在回縮階段對顆粒產生包裹與抬升作用，最終促使顆粒脫離基底。最令人驚訝的是，液滴甚至可以帶起密度約為自身8倍的不銹鋼顆粒。

  2026年4月2日，相關工作以 Liquid droplet mops為題發表在 Nature Sustainability 上。文章第一作者為Wai Kin Lo、Yuyi Liu、Zhipeng Zhao、Xiong Wang，文章通訊作者為楊超院士（中國科學院過程工程研究所），Omar Matar院士（英國帝國理工學院），Steven Wang教授（香港城市大學）。

  這一突破性研究結果的意義，不僅展現出雨滴有較強的顆粒脫附能力，更在于它揭示了液滴驅動顆粒脫附的關鍵物理圖景：顆粒去除并非單純依賴宏觀沖擊，而是一個涉及液滴慣性、界面張力、局部潤濕與能量轉化的動態耦合過程。

  高速成像顯示，液滴撞擊顆粒后并不會立即把顆粒推出表面，而是經歷鋪展、回縮、包裹、抬升與脫離等一系列極快的階段。顆粒獲得向上的速度與高度，發生在液滴回彈和界面重構的短暫窗口內。論文指出，這一過程中起決定作用的，并不是單一的沖擊力，而是液滴慣性、界面張力、顆粒尺寸、顆粒密度以及顆粒潤濕性之間的協同匹配。液滴回縮時形成的彎曲界面、由此帶來的拉普拉斯壓差以及三相接觸線的位置演化，共同決定顆粒能否被液滴“拾起”并最終帶離表面。

圖 1 | 撞擊液滴實現顆粒去除的現象：(a) 撞擊液滴概念示意圖；(b) 實驗裝置示意圖，其中顆粒與液滴的密度比約為8；(c) 約5 μL液滴撞擊超疏水表面不銹鋼顆粒后的時序圖；(d)-(f) 顆粒被液滴捕獲后，其起跳高度、速度以及能量轉換過程。

高效去污并非對應最高沖擊能量

  這項研究還揭示了一個十分關鍵的新物理認識：表面清潔效率與液滴沖擊能量之間并非簡單的單調關系。能量過低時，體系無法提供足夠的抬升能力；能量持續升高后，液滴-顆粒耦合方式又會發生變化，未必對應最優的去除結果。真正高效的去污，反而出現在一個中等沖擊能量窗口。圍繞這一現象，論文建立了以韋伯數、液滴-顆粒尺度比以及顆粒潤濕性為核心參數的判據與相圖，用于區分顆粒與液滴共同抬升、抬升后分離、僅發生黏附而不離面等不同結果。這使表面清潔從經驗式調參，推進到可以分析、預測和設計的物理框架。

圖 2 | 沖擊速度與顆粒尺寸對顆粒去除結果的影響：(a)-(c) 不同沖擊速度下液滴撞擊顆粒的高速圖像，顯示出不同去除結果；(d) 顆粒-液滴面積比與韋伯數共同決定去除行為的相圖；(e) 液滴撞擊過程中壓力場、速度矢量與顆粒法向受力快照；(f) 顆粒起跳高度隨時間變化的模擬與實驗對比。

顆粒潤濕性決定液滴與顆粒能否穩定耦合

  除了沖擊速度和尺寸比，顆粒表面的潤濕性同樣會顯著影響去除行為。論文指出，三相接觸線的位置以及顆粒表面對液滴的黏附方式，會直接決定顆粒與液滴在起跳后是否仍保持耦合。當顆粒表面更容易與液滴保持合適接觸時，液滴對顆粒的“包裹—抬升”過程就更加穩定；反之，顆粒可能在抬升過程中提前與液滴分離。

  這一認識很重要，因為它說明表面清潔并不只是“流體夠不夠快”的問題，還涉及顆粒本身的表面性質。對真實環境中成分復雜、潤濕性各異的污染顆粒而言，這一機制分析為后續界面設計和工況優化提供了更明確的方向。

圖 3 | 顆粒潤濕性對去除行為的影響：(a) 不同沖擊速度下，液滴回彈后最大長寬比隨接觸角變化的規律；(b)-(c) 不同顆粒后退接觸角條件下的高速圖像；(d) 不同潤濕性對應的顆粒抬升構型示意；(e)-(f) 三相接觸線位置隨時間變化；(g) 在固定顆粒尺寸下，后退接觸角與韋伯數共同決定去除行為的相圖。

從界面動力學走向更廣泛的化工表面過程

  該研究給出了一個更具普適性的界面動力學圖景：液滴如何與固體顆粒發生耦合，并在瞬態界面演化過程中完成顆粒的拾取、遷移與脫附。從更廣的過程工程視角看，這類問題廣泛存在于多種化工過程中，例如，噴霧清洗中的表面再生、顆粒沉積與脫附調控、污染界面的更新、固-液相體系中的動量傳遞，以及多相流過程中液滴-顆粒相互作用的調控。該研究所揭示的并非單一應用場景下的經驗式優化，而是一套可延展到更多表面過程與多相體系中的機制認識。對于那些依賴液滴實現顆粒遷移、表面更新或污染移除的過程而言，這項工作提供了新的分析框架，也為噴淋過程優化、潤濕行為調控及功能界面設計提供了物理基礎。

圖 4 | 液滴-顆粒并合抬升機制在沙粒與二氧化硅顆粒上的普適性：(a) 不同粒徑顆粒在相同液滴體積條件下的高速圖像，覆蓋微米到毫米尺度；(b) 液滴撞擊 SiO₂ 顆粒時，不同面積比與韋伯數對應去除結果的相圖以及理論預測邊界。

從機制走向策略：“液滴拖把”在光伏板清潔中的展示

  在上述機制認識的基礎上，研究團隊進一步提出了“液滴拖把”（liquid droplet mops, LDMs）策略，將離散液滴對顆粒的高效拾取與帶離過程轉化為實際清潔方案。該裝置采用交錯排列的出液口，并安裝在電機驅動的線性滑臺上，能夠沿模塊表面進行掃掠式清潔。與傳統“持續噴水”的思路不同，LDMs 更像是把一串受控液滴精準送到污染區域，利用液滴“撞擊—抬升—帶離”的方式完成去污。

  概念驗證結果顯示，LDMs 在超疏水涂層光伏板上的單位面積耗水量僅約 0.34 L/m2，即可實現約 99.9% 的顆粒去除率；與標準液體射流清潔相比，用水量顯著降低。更重要的是，在不同濕度和溫度條件下，對 SiO? 和 NaCl 顆粒的去除率仍可保持在 99% 以上；在風速低于 3.5 m/s 的條件下，裝置的清潔效率和耗水量基本不受影響。經過多次連續清潔后，光伏板電輸出依舊保持良好，與液體射流清潔相當。

  這項工作不僅提出了一種新的清潔策略，而且將液滴驅動顆粒脫附的界面動力學認識進一步轉化為面向能源基礎設施維護的低耗水解決方案。研究估算，若將“液滴拖把”思路用于全球光伏產業清潔，相關年耗水量有望從約 120 億加侖降至約 20 億加侖。對于裝機規模持續增長且往往分布于缺水地區的光伏產業而言，這樣的節水潛力具有明確的現實意義。

圖 5 | 液滴拖把裝置的應用與性能：(a) 用于光伏板清潔的液滴拖把裝置實物圖；(b) 撞擊液滴高效去除顆粒的高速圖像；(c) 液滴拖把與液體射流的耗水量和去除率對比；(d) 受控風場下的耗水量與去除率；(e) 連續多次清潔后的光伏板電輸出；(f) 基于 39 個國家光伏電站數據估算的全球節水潛力。

關鍵數據一覽

  驚人現象：單個約5 μL液滴可帶起密度約為自身8倍的不銹鋼顆粒。

  核心認識：表面清潔效率與液滴沖擊能量呈非單調關系，中等沖擊能量窗口最有利于顆粒去除。

  應用表現：液滴拖把在超疏水涂層光伏板上實現約99.9%的顆粒去除率。

  耗水優勢：用水量僅為標準液體射流清潔過程的約10%。

總結

  Steven Wang等合作團隊的工作，最核心的貢獻在于系統揭示了水滴帶離超重顆粒的機制，并建立起液滴沖擊條件、顆粒性質與去除結果之間的關聯框架，為顆粒沉積控制、表面污染治理以及相關多相體系研究提供了新的分析視角。從基礎科學角度看，該工作深化了我們對液滴撞擊、顆粒脫附與超疏水界面動力學及表面清潔行為的理解；從應用角度看，它則為缺水背景下的光伏運維等工業過程提供了一條更簡單、更節水、也更具可持續性的新技術路徑。

  參考文獻:Lo, W.K.et al. Liquid droplet mops. Nat Sustain (2026).

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41893-026-01804-z