表面污染是自然界和工業(yè)系統(tǒng)中普遍存在的問題，尤其是在光伏系統(tǒng)中，灰塵積累可使發(fā)電效率降低超過一半。過去幾十年，研究者致力于開發(fā)物理和化學(xué)清潔方法，其中液體噴射技術(shù)雖有效，但耗水量巨大——全球太陽能板清潔每年消耗高達(dá)100億加侖水，相當(dāng)于200萬人的年用水需求。如何在保證清潔效果的同時(shí)提高水資源利用效率，一直是該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

近日，香港城市大學(xué)Steven Wang教授聯(lián)合中國科學(xué)院過程工程研究所楊超院士、帝國理工學(xué)院Omar Matar院士合作揭示了一種此前未被認(rèn)識的液滴清潔現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，清潔效率與液滴能量之間存在非單調(diào)關(guān)系，可在中等液滴能量值下達(dá)到最大化?；谶@一機(jī)理，他們開發(fā)了“液滴拖把”方法，在超疏水涂層太陽能板上實(shí)現(xiàn)了99.9%的污染物去除率，而耗水量僅為標(biāo)準(zhǔn)液體噴射法的十分之一。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對表面清潔基礎(chǔ)原理的理解，也為水資源短缺背景下的表面清潔提供了簡單高效的新策略。相關(guān)論文以“Liquid droplet mops”為題，發(fā)表在Nature Sustainability上。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M自然界中的清潔過程。他們將直徑0.7毫米的鋼質(zhì)顆粒置于超疏水玻璃基底上，然后釋放約5微升的水滴以不同速度撞擊顆粒。高速攝像記錄顯示，水滴撞擊后會在顆粒上鋪展、回縮，隨后帶著顆粒一起跳離表面，整個(gè)過程在幾十毫秒內(nèi)完成。顆粒運(yùn)動(dòng)可分為三個(gè)階段：首先與回彈的水滴結(jié)合并加速上升，隨后速度減為零達(dá)到最高點(diǎn)，最后落回基底。這一過程中顆粒僅在液滴撞擊瞬間獲得能量。

圖1 | 撞擊液滴去除顆粒物。 a, 撞擊液滴的概念示意圖。 b, 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。液滴與顆粒的密度比為7.8。 c, 液滴（5微升）撞擊置于超疏水表面上的不銹鋼顆粒（直徑0.7毫米，密度7800千克/立方米）的時(shí)間序列影像。超疏水表面的前進(jìn)角θadv=167±1°，后退角θrec=159±1°。液滴在t=0毫秒時(shí)以Vi=0.32米/秒的速度撞擊，n=3個(gè)獨(dú)立樣本結(jié)果相似。 d-f, 捕獲顆粒碰撞后的動(dòng)力學(xué)演化過程。顆粒從表面跳起。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊速度和顆粒與液滴的尺寸比對清潔結(jié)果有決定性影響。當(dāng)撞擊速度較低時(shí)，液滴與顆粒結(jié)合但無法一起跳起；中等速度下，兩者結(jié)合并共同跳起；高速撞擊時(shí)，顆粒在上升過程中與液滴分離。研究團(tuán)隊(duì)通過能量守恒分析建立了理論模型，推導(dǎo)出區(qū)分不同 regimes 的臨界韋伯?dāng)?shù)公式，理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。數(shù)值模擬揭示，顆粒下方的限域氣體形成高壓區(qū)，而液滴彎曲界面產(chǎn)生負(fù)壓，這種壓力不平衡提供了向上的加速度。

圖2 | 撞擊速度和顆粒直徑對顆粒去除結(jié)果的影響。 a-c, 液滴（直徑2.1毫米）以不同撞擊速度Vi撞擊不銹鋼顆粒（直徑1.1毫米）的高速影像：a為0.18米/秒，b為0.50米/秒，c為0.60米/秒，顯示不同的去除結(jié)果。 d, 相圖描繪了顆粒-液滴面積比φ = Dp2/Dd2和韋伯?dāng)?shù)We對去除結(jié)果的影響。顆粒（灰色）被液滴（藍(lán)色）以不同方式抬升。Regime 1（藍(lán)色三角形）對應(yīng)圖b中顆粒-液滴結(jié)合并跳起。Regime 2（橙色圓圈）對應(yīng)圖c中顆粒與液滴分離。 e, 液滴（藍(lán)色）和顆粒（灰色）在不同時(shí)刻的速度場和壓力場數(shù)值模擬結(jié)果。虛線表示顆粒周圍的接觸線位置。 f, 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的顆粒高度-時(shí)間數(shù)據(jù)對比。

顆粒的潤濕性同樣顯著影響清潔行為。實(shí)驗(yàn)表明，親水性顆粒會促使回彈液滴形成條帶狀，而疏水性顆粒則保持近球形。研究者觀察到兩種不同的抬升構(gòu)型——“熱氣球模式”和“沙漏模式”，這取決于三相接觸線的行為。親水性顆粒上，接觸線釘扎在下半部分，接觸面積超過50%；而疏水性顆粒上，接觸線快速向上遷移。研究團(tuán)隊(duì)通過力平衡和能量轉(zhuǎn)換分析，成功預(yù)測了不同 regime 之間的邊界。

圖3 | 顆粒潤濕性對顆粒去除行為的影響。 a, 不同撞擊速度下，回彈液滴的最大長寬比L/W隨接觸角的變化關(guān)系。顆粒直徑Dp=0.9毫米。 b,c, Vi=0.32米/秒、Dp=0.9毫米條件下的高速快照，后退角θprec分別為16°（b）和68°（c）。 d, 不同顆粒潤濕性下的抬升構(gòu)型示意圖。 e,f, 三相接觸線位置隨時(shí)間的變化：e為θprec=16°，f為θprec=68°。e圖中+ve和-ve分別表示正和負(fù)的接觸線位置。 g, 相圖描繪了后退接觸角和韋伯?dāng)?shù)對去除結(jié)果的影響，Dp=0.9毫米。Regime 4（綠色菱形）表示顆粒-液滴未跳起且未分離。虛線顯示了方程（3）-（5）的預(yù)測結(jié)果。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)獨(dú)立樣本（n=3）的均值。

為驗(yàn)證這一現(xiàn)象的普適性，研究者使用了從10微米到2毫米的二氧化硅顆粒，這覆蓋了真實(shí)環(huán)境中沙塵的典型尺寸范圍。高速影像顯示，微米級顆粒的去除行為理想地處于 Regime 1；當(dāng)顆粒直徑增大到1毫米、韋伯?dāng)?shù)達(dá)到100時(shí)，Regime 1 與 Regime 2 之間的邊界出現(xiàn)。值得注意的是，使用更常見的沙粒時(shí)，Regime 1 的參數(shù)空間顯著擴(kuò)大，為提升顆粒去除效率提供了新途徑。

圖4 | 沙粒-液滴結(jié)合抬升的普適性。 a, 高速影像中選取的快照，顯示不同尺寸（從微米到毫米）和不同韋伯?dāng)?shù)We的二氧化硅顆粒，液滴體積均為5微升（直徑2.1±0.1毫米）。上排：Dp=50微米，We=20；中排：Dp=0.4毫米，We=5；下排：Dp=2.0毫米，We=100。 b, 相圖展示了二氧化硅顆粒上液滴撞擊現(xiàn)象，描繪了φ和We對去除結(jié)果的影響。Regime 1與Regime 3之間的理論預(yù)測邊界由紅色虛線表示，根據(jù)方程（1）計(jì)算，擬合預(yù)因子C?=1.7。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表3個(gè)獨(dú)立樣本的均值（n=3）。

基于上述機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“液滴拖把”裝置，用于清潔超疏水涂層的太陽能板。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，配有八個(gè)交替排列的出口，安裝在電動(dòng)線性滑軌上，可在模塊上方掃過并從高處釋放液滴。高速畫面顯示，液滴在25毫秒內(nèi)完成第一次回彈，實(shí)現(xiàn)了高效污染物去除。在5×23平方厘米的污染面積上，該方法單次清潔耗水約3.9毫升，去除率達(dá)99.9%，而傳統(tǒng)液體噴射法耗水量高出6至14倍。在不同濕度（30%-90%）和溫度（10-50°C）條件下，該方法對二氧化硅和氯化鈉顆粒均保持99%以上的高去除率。即使在最高3.5米/秒的風(fēng)速下，清潔效率和水耗保持不變；罕見的大于5米/秒大風(fēng)條件下，水耗增加不超過40%，去除率依然維持高水平。經(jīng)過十次清潔循環(huán)后，太陽能板的電輸出性能與液體噴射清潔相當(dāng)。全球水耗模擬顯示，采用該方法可將太陽能板清潔年用水量從約120億加侖降至20億加侖，僅中國和美國每年就可節(jié)約超過50億加侖水。

圖5 | 撞擊液滴的應(yīng)用與性能。 a, 用于太陽能板清潔的液滴拖把裝置光學(xué)圖像。插圖：清潔前后的表面。 b, 高速快照顯示撞擊液滴對顆粒物的高效去除。 c, 在5×23平方厘米污染面積上，撞擊液滴與液體噴射的水耗和去除率對比。柱高：均值；誤差條：標(biāo)準(zhǔn)差；撞擊液滴n=8個(gè)獨(dú)立樣本，液體噴射n=6個(gè)獨(dú)立樣本。 d, 受控風(fēng)速條件下的水耗和去除率。數(shù)據(jù)點(diǎn)：均值；誤差條：標(biāo)準(zhǔn)差；n=3個(gè)獨(dú)立樣本。 e, 液滴拖把清潔與液體噴射清潔后太陽能板的電流-電壓特性曲線對比。 f, 采用液滴拖把方法清潔太陽能板可節(jié)約的水量估算。地圖邊界來自世界銀行。

這項(xiàng)研究揭示了液滴清潔的非單調(diào)能量依賴關(guān)系，通過明確的物理約束定義了更高效的操作窗口，減少了對經(jīng)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整的依賴。盡管該方法依賴于超疏水表面，且在更嚴(yán)苛條件（如油污混合污染物）下的性能仍需進(jìn)一步評估，但研究展示了“液滴拖把”方法如何有效指導(dǎo)開發(fā)簡單、節(jié)水、經(jīng)濟(jì)的表面清潔策略，為水資源短缺背景下太陽能板維護(hù)的可持續(xù)性提供了切實(shí)可行的解決方案。