从植物叶片上露珠的滑落，到农业喷洒中中药液的有效滞留，再到生物检测中微量样品的定向输送，液滴与固体之间的摩擦深刻影响着这些自然现象与工程过程。何时开始滑动、滑动后如何运动，是理解和预测液滴摩擦行为的关键。然而，传统动态润湿模型通常预测摩擦随瞬时滑动速度的增大而增大，难以解释为何启动摩擦往往大于动摩擦。这提示我们，仅靠速度这一变量不足以完整刻画液滴的摩擦行为，还需引入速度以外的更多维度。

  近日，日本东京大学与金泽大学的研究人员合作，揭示了接触线老化所驱动的液滴摩擦的历史（状态）依赖性。团队通过调控自组装单分子膜的分子链长度和实验温度发现，液滴停留时间越长，启动摩擦就越大；而在低速区间，滑动速度越快，平均摩擦反而越小。研究团队将这两种现象纳入同一物理图像，建立了同时考虑接触历史与滑动速度的理论模型，为液滴静摩擦与动摩擦的理解提供了统一的描述框架。

  该成果于2026年11月9日以“History-dependent droplet friction driven by contact-line aging”为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。论文第一作者为东京大学Yuanzhe Li（李远哲）助理教授，通讯作者为Junichiro Shiomi教授。

1.实验对象与实验手段

图1 自组装单分子层表面的液滴摩擦与速度关系

  为了研究液滴摩擦，研究人员选择低挥发性离子液体作为模型液滴，以减少长时间实验中液滴蒸发的干扰；并在硅片上构建不同链长的自组装单分子层（长链Si–C18与短链Si–C8），实现对表面分子结构与活动性的调控。两种单分子膜的厚度都只有纳米量级，却具有不同的分子组织状态：长链表面在室温下较有序、呈类固态特征，短链表面的分子链更灵活、呈类液态特征，从而为研究液滴与固体之间的摩擦提供了结构可控的模型体系。

  为了表征摩擦动力学行为，研究人员采用了力驱动与速度控制两种互补的测量方法。倾斜平台利用液滴自身重力提供驱动力，研究液滴的启动与滑动行为。实验显示，液滴在短链表面上平稳启动，而在长链表面上，一旦超过启动阈值，速度便突然跃升。为了探索这一速度跃升所跨越的低速区域，研究人员进一步采用可控制驱动速度的微悬臂测力方法。结果发现，长链表面上的液滴在约0.1–1.6 mm/s的低速范围内，呈现出速度增加、平均摩擦反而减小的“速度负相关”的反常摩擦行为，并伴随间歇性的黏滑运动。在更高速度下，摩擦重新随速度增大；短链表面则表现为摩擦随速度单调增加。

2.升温改变摩擦与速度的关系

图2 温度对液滴摩擦及接触线阻力的影响

  温度能否调节这种反常的摩擦行为？研究团队在25–70 °C范围内进行了测量。在25 °C和40 °C时，长链Si–C18表面仍表现出速度负相关；升温至55 °C和70 °C后，这种现象受到抑制，摩擦恢复为随速度增加而增大的趋势，整体阻力也有所降低。通过同步测量摩擦力与液滴前后缘的接触角，团队进一步确认，在所考察的低速范围内，阻力主要来自液滴边缘的接触线。这表明，要理解摩擦随温度的变化，需要注重关注接触线与固体表面之间相互作用演化。

3.接触历史依赖性的直接证据

图3 滑动后停留再启动实验揭示摩擦的接触历史依赖

  为了解释速度负相关行为，研究人员设计了“滑动—停留—再滑动”实验来直接检验接触历史依赖性：先让液滴滑动，再使其停留一段时间，随后以相同的驱动速度重新启动。通过将停留时间从1 s逐步延长至1024 s，研究人员发现，在25 °C时，停留越久，液滴重新启动所需的峰值力越大；而进入稳定滑动后，摩擦力基本恢复到相同水平。这说明液滴的接触历史会影响启动摩擦，而持续滑动会逐步更新此前形成的接触状态。升温至70 °C后，启动峰值对停留时间的依赖明显减弱，这一变化与升温后速度弱化现象的消失相对应，表明历史依赖的摩擦增强可能是导致速度弱化的关键机制。同步测得的接触角变化还表明，启动后的摩擦下降主要伴随着液滴后缘接触角的恢复，提示后退接触线的局部钉扎与解钉扎过程在这一过程中具有关键作用。

4.基于接触线老化的液滴摩擦模型

图4 接触线老化模型及其对摩擦实验的定量描述

  液滴边缘液体、固体与空气交汇的边界称为“三相接触线”，其运动阻力是液滴摩擦的主要来源。即便固体表面宏观上十分平滑，纳米尺度上仍可能存在化学或结构缺陷，使局部接触线被钉扎而难以自由移动。研究团队提出，接触线的各个片段在热涨落作用下不断探索周围的界面构型，随时间逐渐占据更多可达的缺陷位置，形成更强的钉扎；这一钉扎状态随时间增强的过程，即文中所定义的“接触线老化”。

  由此，静止时的摩擦增强与滑动时的速度弱化便有了共同的解释：液滴停留得越久，累积的钉扎作用越强，重新启动时需要克服的阻力也越大；在缓慢滑动时，接触线局部片段与固体表面的有效接触时间较长，老化更充分。速度增加后，接触状态更新得更快，老化受到削弱。当这种由运动引起的老化削弱效应超过摩擦本身随速度增加而增强的效应时，平均摩擦就会随速度增加而下降。

  基于这一物理图像，研究团队提出接触线老化模型，定量描述了不同温度下的低速摩擦行为，以及启动峰值相对稳态摩擦的增量随停留时间近似呈对数增长的规律。由此，接触历史与瞬时滑动速度被纳入同一摩擦描述框架，实现了对液滴启动摩擦和动态摩擦的统一解释。

5.纳米结构为接触线老化机制提供证据

图5 分子链长与温度调节表面缺陷及接触线老化

  为了揭示分子链长度及温度如何影响表面缺陷与局部钉扎，研究团队利用三维原子力显微镜，在水环境中观察两种分子层表面的水化结构。短链Si–C8表面呈现较均匀、连续的水耗尽层，而长链Si–C18表面的对应结构出现局部中断，表明其疏水背景中可能暴露了更多亲水区域。这些纳米尺度的不均匀区域，为接触线提供了潜在的钉扎位置。原子力显微镜与红外光谱进一步显示，随着温度升高，长链分子层由较有序的类固态构型向更无序、活动性更强的类液态构型转变，同时表面纳米粗糙度降低。结合模型分析，这些结果支持了如下解释：分子链重排能够减弱表面的纳米不均匀性，降低暴露的亲水缺陷及有效钉扎位点的密度，从而削弱接触线老化及其引起的低速摩擦弱化行为。

总结

  这项研究将接触历史引入液滴摩擦的描述，把静止时启动阻力的增强与低速滑动中摩擦的弱化联系起来，并建立了与固体界面速率—状态摩擦（Rate and State Friction）规律之间的概念联系。文中还验证了上述规律在水、乙二醇及烷烃等液体以及不同固体表面上的广泛适用性，表明这一摩擦描述框架具有更为广泛的适用潜力。

  这一结果提示我们，预测液滴何时开始运动与它将具有怎样的滑动速度，是两个看似不同却内在关联的物理问题，需要同时考虑瞬时速度与界面状态的演化。对于功能表面设计而言，这意味着分子链活性、纳米结构与缺陷不仅可以调节静态润湿性，还可以调节液滴的启动门槛与滑动稳定性。这一认识为液滴输运、涂覆与印刷等过程中的界面设计提供了新的物理依据。

  论文信息

  第一作者：Yuanzhe Li (李远哲)

  通讯作者：Junichiro Shiomi

  合作单位：东京大学；金泽大学

  Yuanzhe Li et al. History-dependent droplet friction driven by contact-line aging. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(46): e2619504123.

  https://doi.org/10.1073/pnas.2619504123