一个有趣的物理现象：液滴可带起密度约为自身8倍的颗粒

  近期，香港城市大学Steven Wang教授联合中国科学院过程工程研究所杨超院士、帝国理工学院Omar Matar院士等，从自然降雨清洁表面的现象获得启发，在超疏水基底上构建液滴撞击颗粒的实验体系，并结合理论分析与数值模拟，对液滴-颗粒相互作用进行了系统研究。研究发现，当约 5 μL 液滴撞击表面单颗粒时，在适当条件下，液滴并不是简单将颗粒推离原位，而是会在回缩阶段对颗粒产生包裹与抬升作用，最终促使颗粒脱离基底。最令人惊讶的是，液滴甚至可以带起密度约为自身8倍的不锈钢颗粒。

  2026年4月2日，相关工作以 Liquid droplet mops为题发表在 Nature Sustainability 上。文章第一作者为Wai Kin Lo、Yuyi Liu、Zhipeng Zhao、Xiong Wang，文章通讯作者为杨超院士（中国科学院过程工程研究所），Omar Matar院士（英国帝国理工学院），Steven Wang教授（香港城市大学）。

  这一突破性研究结果的意义，不仅展现出雨滴有较强的颗粒脱附能力，更在于它揭示了液滴驱动颗粒脱附的关键物理图景：颗粒去除并非单纯依赖宏观冲击，而是一个涉及液滴惯性、界面张力、局部润湿与能量转化的动态耦合过程。

  高速成像显示，液滴撞击颗粒后并不会立即把颗粒推出表面，而是经历铺展、回缩、包裹、抬升与脱离等一系列极快的阶段。颗粒获得向上的速度与高度，发生在液滴回弹和界面重构的短暂窗口内。论文指出，这一过程中起决定作用的，并不是单一的冲击力，而是液滴惯性、界面张力、颗粒尺寸、颗粒密度以及颗粒润湿性之间的协同匹配。液滴回缩时形成的弯曲界面、由此带来的拉普拉斯压差以及三相接触线的位置演化，共同决定颗粒能否被液滴“拾起”并最终带离表面。

图 1 | 撞击液滴实现颗粒去除的现象：(a) 撞击液滴概念示意图；(b) 实验装置示意图，其中颗粒与液滴的密度比约为8；(c) 约5 μL液滴撞击超疏水表面不锈钢颗粒后的时序图；(d)-(f) 颗粒被液滴捕获后，其起跳高度、速度以及能量转换过程。

高效去污并非对应最高冲击能量

  这项研究还揭示了一个十分关键的新物理认识：表面清洁效率与液滴冲击能量之间并非简单的单调关系。能量过低时，体系无法提供足够的抬升能力；能量持续升高后，液滴-颗粒耦合方式又会发生变化，未必对应最优的去除结果。真正高效的去污，反而出现在一个中等冲击能量窗口。围绕这一现象，论文建立了以韦伯数、液滴-颗粒尺度比以及颗粒润湿性为核心参数的判据与相图，用于区分颗粒与液滴共同抬升、抬升后分离、仅发生黏附而不离面等不同结果。这使表面清洁从经验式调参，推进到可以分析、预测和设计的物理框架。

图 2 | 冲击速度与颗粒尺寸对颗粒去除结果的影响：(a)-(c) 不同冲击速度下液滴撞击颗粒的高速图像，显示出不同去除结果；(d) 颗粒-液滴面积比与韦伯数共同决定去除行为的相图；(e) 液滴撞击过程中压力场、速度矢量与颗粒法向受力快照；(f) 颗粒起跳高度随时间变化的模拟与实验对比。

颗粒润湿性决定液滴与颗粒能否稳定耦合

  除了冲击速度和尺寸比，颗粒表面的润湿性同样会显著影响去除行为。论文指出，三相接触线的位置以及颗粒表面对液滴的黏附方式，会直接决定颗粒与液滴在起跳后是否仍保持耦合。当颗粒表面更容易与液滴保持合适接触时，液滴对颗粒的“包裹—抬升”过程就更加稳定；反之，颗粒可能在抬升过程中提前与液滴分离。

  这一认识很重要，因为它说明表面清洁并不只是“流体够不够快”的问题，还涉及颗粒本身的表面性质。对真实环境中成分复杂、润湿性各异的污染颗粒而言，这一机制分析为后续界面设计和工况优化提供了更明确的方向。

图 3 | 颗粒润湿性对去除行为的影响：(a) 不同冲击速度下，液滴回弹后最大长宽比随接触角变化的规律；(b)-(c) 不同颗粒后退接触角条件下的高速图像；(d) 不同润湿性对应的颗粒抬升构型示意；(e)-(f) 三相接触线位置随时间变化；(g) 在固定颗粒尺寸下，后退接触角与韦伯数共同决定去除行为的相图。

从界面动力学走向更广泛的化工表面过程

  该研究给出了一个更具普适性的界面动力学图景：液滴如何与固体颗粒发生耦合，并在瞬态界面演化过程中完成颗粒的拾取、迁移与脱附。从更广的过程工程视角看，这类问题广泛存在于多种化工过程中，例如，喷雾清洗中的表面再生、颗粒沉积与脱附调控、污染界面的更新、固-液相体系中的动量传递，以及多相流过程中液滴-颗粒相互作用的调控。该研究所揭示的并非单一应用场景下的经验式优化，而是一套可延展到更多表面过程与多相体系中的机制认识。对于那些依赖液滴实现颗粒迁移、表面更新或污染移除的过程而言，这项工作提供了新的分析框架，也为喷淋过程优化、润湿行为调控及功能界面设计提供了物理基础。

图 4 | 液滴-颗粒并合抬升机制在沙粒与二氧化硅颗粒上的普适性：(a) 不同粒径颗粒在相同液滴体积条件下的高速图像，覆盖微米到毫米尺度；(b) 液滴撞击 SiO₂ 颗粒时，不同面积比与韦伯数对应去除结果的相图以及理论预测边界。

从机制走向策略：“液滴拖把”在光伏板清洁中的展示

  在上述机制认识的基础上，研究团队进一步提出了“液滴拖把”（liquid droplet mops, LDMs）策略，将离散液滴对颗粒的高效拾取与带离过程转化为实际清洁方案。该装置采用交错排列的出液口，并安装在电机驱动的线性滑台上，能够沿模块表面进行扫掠式清洁。与传统“持续喷水”的思路不同，LDMs 更像是把一串受控液滴精准送到污染区域，利用液滴“撞击—抬升—带离”的方式完成去污。

  概念验证结果显示，LDMs 在超疏水涂层光伏板上的单位面积耗水量仅约 0.34 L/m2，即可实现约 99.9% 的颗粒去除率；与标准液体射流清洁相比，用水量显著降低。更重要的是，在不同湿度和温度条件下，对 SiO? 和 NaCl 颗粒的去除率仍可保持在 99% 以上；在风速低于 3.5 m/s 的条件下，装置的清洁效率和耗水量基本不受影响。经过多次连续清洁后，光伏板电输出依旧保持良好，与液体射流清洁相当。

  这项工作不仅提出了一种新的清洁策略，而且将液滴驱动颗粒脱附的界面动力学认识进一步转化为面向能源基础设施维护的低耗水解决方案。研究估算，若将“液滴拖把”思路用于全球光伏产业清洁，相关年耗水量有望从约 120 亿加仑降至约 20 亿加仑。对于装机规模持续增长且往往分布于缺水地区的光伏产业而言，这样的节水潜力具有明确的现实意义。

图 5 | 液滴拖把装置的应用与性能：(a) 用于光伏板清洁的液滴拖把装置实物图；(b) 撞击液滴高效去除颗粒的高速图像；(c) 液滴拖把与液体射流的耗水量和去除率对比；(d) 受控风场下的耗水量与去除率；(e) 连续多次清洁后的光伏板电输出；(f) 基于 39 个国家光伏电站数据估算的全球节水潜力。

关键数据一览

  惊人现象：单个约5 μL液滴可带起密度约为自身8倍的不锈钢颗粒。

  核心认识：表面清洁效率与液滴冲击能量呈非单调关系，中等冲击能量窗口最有利于颗粒去除。

  应用表现：液滴拖把在超疏水涂层光伏板上实现约99.9%的颗粒去除率。

  耗水优势：用水量仅为标准液体射流清洁过程的约10%。

总结

  Steven Wang等合作团队的工作，最核心的贡献在于系统揭示了水滴带离超重颗粒的机制，并建立起液滴冲击条件、颗粒性质与去除结果之间的关联框架，为颗粒沉积控制、表面污染治理以及相关多相体系研究提供了新的分析视角。从基础科学角度看，该工作深化了我们对液滴撞击、颗粒脱附与超疏水界面动力学及表面清洁行为的理解；从应用角度看，它则为缺水背景下的光伏运维等工业过程提供了一条更简单、更节水、也更具可持续性的新技术路径。

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

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41893-026-01804-z