摘要：液体在固体表面的动态润湿行为是界面科学和工程应用中的关键基础问题。近年来，液体超铺展（ Superspreading ）现象因其在功能表面设计中的重要性而备受关注。研究表明，通过精确调控表面微纳米结构特征，可显著改变液体的铺展动力学行为。然而，目前对 微结构物

液体在固体表面的动态润湿行为是界面科学和工程应用中的关键基础问题。近年来，液体超铺展（ Superspreading ）现象因其在功能表面设计中的重要性而备受关注。研究表明，通过精确调控表面微纳米结构特征，可显著改变液体的铺展动力学行为。然而，目前对 微结构物理参数与表面超铺展性能之间的构效关系 仍缺乏系统性认识。鉴于此， 河南大学 鞠婕教授 和 姚晰教授 及其博士研究生 刘岚 等人 近期在《Advanced Materials》上发表题为 “Recent Progress on Liquid Superspreading and Its Applications” 的综述论文，系统总结了超铺展表面的设计原理，重点探讨了界面能调控和微结构优化的协同作用机制，并详细阐述了该技术在热管理、海水淡化、薄膜制备和生物医学检测等领域的创新应用。该工作为开发新一代功能润湿表面提供了重要的理论指导和技术参考。

1 、 动态润湿过程的 机理研究

液体铺展动力学的研究需要多尺度方法的协同。宏观尺度上，实验观测可揭示接触线运动规律；微观层面，分子动力学模拟能解析界面分子相互作用机制。为建立普适性理论框架，研究者发展了两种预测模型：流体动力学模型（ HDM ）着重于体相黏性耗散，而分子动力学理论（ MKT ）则强调三相线附近的分子跃迁过程。然而，这两种模型均难以解释结构化表面呈现的非均匀铺展指数（ n 值分布），这源于固 - 液复合界面的复杂流体行为导致的能量耗散异质性。 De Gennes 提出的全局能量方程（ global energy equation ）为此提供了新的研究范式， 该方程通过 Gibbs 自由能变（ ΔG ）定量描述铺展驱动力与黏性耗散、分子摩擦等多重耗散机制的动态平衡，为复杂表面的润湿行为预测提供了简化而普适的理论工具 。这一能量平衡视角特别适用于微结构表面的润湿动力学分析，对功能表面设计具有重要指导意义。

▲ 液体在固体表面铺展的机理。 图 a 为 液体运动中能量的输入来源于铺展前后吉布斯自由能的变化；图 b 为在光滑表面上能量通过液体分子在固体表面的吸收 - 解吸引起的局部耗散和液体分子运动引起的粘性耗散来耗散；图 c 为 结构化表面上液体通过三种渠道进行耗散。

2 、 液体超铺展表面的设计策略

2 .1 界面能调节实现液体的超铺展

液体扩散的基本原理在于 铺展 系数 S= γ SG - γ SL - γ LV ，该系数必须为正值才能实现 铺展， 要实现这一点，一种有效的策略是 通过改变基底或优化液体来调节固体 / 液体界面能 γ SL 。

▲通过 基底 改性或液体调节来实现 超铺展。

2 .2 物理结构调控实现液体的超铺展

可以根据液体的铺展方向与结构尺度对表面进行分类，如下图。

研究表明，单尺度结构体系（纯微米级或纯纳米级结构）在优化液体 铺展 性能方面存在固有局限性。单一微米结构提供的毛细驱动力不足，而单一纳米结构则因高比表面积导致显著的 粘滞 阻力。多尺度结构的整合有效地结合了不同尺度的优势，实现了毛细力与阻力之间的最佳平衡，这理论上应该能够实现更出色的液体扩散效果。 然而，本研究团队对不同微观结构尺度下液体在各种表面上的扩散行为所进行的系统性研究（见表 1 ）并未得出明确或确凿的相关性结论。这表明，除了针对单个结构尺度的优化之外，多个尺度之间的协同作用可能起着至关重要的作用 ， 值得进一步探讨。

表 1 微观尺度与超铺展性能的关系

3 、 液体超铺展表面的应用

▲液体超铺展表面 在散热方面的应用

▲ 液体超铺展 表面 在 海水淡化 方面的应用

▲液体超铺展 表面应用在功能薄膜制备。

▲ 液体超铺展表面应用在 即时 医疗诊断。

▲ 液体超铺展表面 在水处理方面的应用 。

鞠婕 研究团队介绍：

本课题组作为 河南 大学 纳米科学与材料工程学院、特种功能材料教育部重点实验室 和 龙子湖新能源实验室 的主要研究团队之一， 主要关注于液体 - 能源关联材料领域 ，取得了多项具有自主知识产权的特色科研成果，如 开发用于制造具有超强 液体 吸收和 铺展 能力材料的 新机制、太阳能 海水 淡化技术、蒸发式散热技术、蒸发式发电技术以及零能耗雾气收集技术 等。 本课题组长期招聘具有物理化学，高分子，以及材料背景的青年教师、研究生及本科生加入我们的团队。

Email: jujie@henu.edu.cn

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来源：老王说科学