表面污染是自然界和工业系统中普遍存在的问题，尤其是在光伏系统中，灰尘积累可使发电效率降低超过一半。过去几十年，研究者致力于开发物理和化学清洁方法，其中液体喷射技术虽有效，但耗水量巨大——全球太阳能板清洁每年消耗高达100亿加仑水，相当于200万人的年用水需求。如何在保证清洁效果的同时提高水资源利用效率，一直是该领域面临的关键挑战。
近日，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院士合作揭示了一种此前未被认识的液滴清洁现象。研究团队发现，清洁效率与液滴能量之间存在非单调关系，可在中等液滴能量值下达到最大化。基于这一机理，他们开发了“液滴拖把”方法，在超疏水涂层太阳能板上实现了99.9%的污染物去除率，而耗水量仅为标准液体喷射法的十分之一。这一发现不仅深化了对表面清洁基础原理的理解，也为水资源短缺背景下的表面清洁提供了简单高效的新策略。相关论文以“Liquid droplet mops”为题，发表在Nature Sustainability上。
研究团队首先通过实验模拟自然界中的清洁过程。他们将直径0.7毫米的钢质颗粒置于超疏水玻璃基底上，然后释放约5微升的水滴以不同速度撞击颗粒。高速摄像记录显示，水滴撞击后会在颗粒上铺展、回缩，随后带着颗粒一起跳离表面，整个过程在几十毫秒内完成。颗粒运动可分为三个阶段：首先与回弹的水滴结合并加速上升，随后速度减为零达到最高点，最后落回基底。这一过程中颗粒仅在液滴撞击瞬间获得能量。
图1 | 撞击液滴去除颗粒物。 a, 撞击液滴的概念示意图。 b, 实验装置示意图。液滴与颗粒的密度比为7.8。 c, 液滴（5微升）撞击置于超疏水表面上的不锈钢颗粒（直径0.7毫米，密度7800千克/立方米）的时间序列影像。超疏水表面的前进角θadv=167±1°，后退角θrec=159±1°。液滴在t=0毫秒时以Vi=0.32米/秒的速度撞击，n=3个独立样本结果相似。 d-f, 捕获颗粒碰撞后的动力学演化过程。颗粒从表面跳起。
进一步研究发现，液滴撞击速度和颗粒与液滴的尺寸比对清洁结果有决定性影响。当撞击速度较低时，液滴与颗粒结合但无法一起跳起；中等速度下，两者结合并共同跳起；高速撞击时，颗粒在上升过程中与液滴分离。研究团队通过能量守恒分析建立了理论模型，推导出区分不同 regimes 的临界韦伯数公式，理论预测与实验结果高度吻合。数值模拟揭示，颗粒下方的限域气体形成高压区，而液滴弯曲界面产生负压，这种压力不平衡提供了向上的加速度。
图2 | 撞击速度和颗粒直径对颗粒去除结果的影响。 a-c, 液滴（直径2.1毫米）以不同撞击速度Vi撞击不锈钢颗粒（直径1.1毫米）的高速影像：a为0.18米/秒，b为0.50米/秒，c为0.60米/秒，显示不同的去除结果。 d, 相图描绘了颗粒-液滴面积比φ = Dp²/Dd²和韦伯数We对去除结果的影响。颗粒（灰色）被液滴（蓝色）以不同方式抬升。Regime 1（蓝色三角形）对应图b中颗粒-液滴结合并跳起。Regime 2（橙色圆圈）对应图c中颗粒与液滴分离。 e, 液滴（蓝色）和颗粒（灰色）在不同时刻的速度场和压力场数值模拟结果。虚线表示颗粒周围的接触线位置。 f, 实验与数值模拟的颗粒高度-时间数据对比。
颗粒的润湿性同样显著影响清洁行为。实验表明，亲水性颗粒会促使回弹液滴形成条带状，而疏水性颗粒则保持近球形。研究者观察到两种不同的抬升构型——“热气球模式”和“沙漏模式”，这取决于三相接触线的行为。亲水性颗粒上，接触线钉扎在下半部分，接触面积超过50%；而疏水性颗粒上，接触线快速向上迁移。研究团队通过力平衡和能量转换分析，成功预测了不同 regime 之间的边界。
图3 | 颗粒润湿性对颗粒去除行为的影响。 a, 不同撞击速度下，回弹液滴的最大长宽比L/W随接触角的变化关系。颗粒直径Dp=0.9毫米。 b,c, Vi=0.32米/秒、Dp=0.9毫米条件下的高速快照，后退角θprec分别为16°（b）和68°（c）。 d, 不同颗粒润湿性下的抬升构型示意图。 e,f, 三相接触线位置随时间的变化：e为θprec=16°，f为θprec=68°。e图中+ve和-ve分别表示正和负的接触线位置。 g, 相图描绘了后退接触角和韦伯数对去除结果的影响，Dp=0.9毫米。Regime 4（绿色菱形）表示颗粒-液滴未跳起且未分离。虚线显示了方程（3）-（5）的预测结果。每个数据点代表三个独立样本（n=3）的均值。
为验证这一现象的普适性，研究者使用了从10微米到2毫米的二氧化硅颗粒，这覆盖了真实环境中沙尘的典型尺寸范围。高速影像显示，微米级颗粒的去除行为理想地处于 Regime 1；当颗粒直径增大到1毫米、韦伯数达到100时，Regime 1 与 Regime 2 之间的边界出现。值得注意的是，使用更常见的沙粒时，Regime 1 的参数空间显著扩大，为提升颗粒去除效率提供了新途径。
图4 | 沙粒-液滴结合抬升的普适性。 a, 高速影像中选取的快照，显示不同尺寸（从微米到毫米）和不同韦伯数We的二氧化硅颗粒，液滴体积均为5微升（直径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, 相图展示了二氧化硅颗粒上液滴撞击现象，描绘了φ和We对去除结果的影响。Regime 1与Regime 3之间的理论预测边界由红色虚线表示，根据方程（1）计算，拟合预因子C₁=1.7。每个数据点代表3个独立样本的均值（n=3）。
基于上述机理，研究团队设计了“液滴拖把”装置，用于清洁超疏水涂层的太阳能板。该装置结构简单，配有八个交替排列的出口，安装在电动线性滑轨上，可在模块上方扫过并从高处释放液滴。高速画面显示，液滴在25毫秒内完成第一次回弹，实现了高效污染物去除。在5×23平方厘米的污染面积上，该方法单次清洁耗水约3.9毫升，去除率达99.9%，而传统液体喷射法耗水量高出6至14倍。在不同湿度（30%-90%）和温度（10-50°C）条件下，该方法对二氧化硅和氯化钠颗粒均保持99%以上的高去除率。即使在最高3.5米/秒的风速下，清洁效率和水耗保持不变；罕见的大于5米/秒大风条件下，水耗增加不超过40%，去除率依然维持高水平。经过十次清洁循环后，太阳能板的电输出性能与液体喷射清洁相当。全球水耗模拟显示，采用该方法可将太阳能板清洁年用水量从约120亿加仑降至20亿加仑，仅中国和美国每年就可节约超过50亿加仑水。
图5 | 撞击液滴的应用与性能。 a, 用于太阳能板清洁的液滴拖把装置光学图像。插图：清洁前后的表面。 b, 高速快照显示撞击液滴对颗粒物的高效去除。 c, 在5×23平方厘米污染面积上，撞击液滴与液体喷射的水耗和去除率对比。柱高：均值；误差条：标准差；撞击液滴n=8个独立样本，液体喷射n=6个独立样本。 d, 受控风速条件下的水耗和去除率。数据点：均值；误差条：标准差；n=3个独立样本。 e, 液滴拖把清洁与液体喷射清洁后太阳能板的电流-电压特性曲线对比。 f, 采用液滴拖把方法清洁太阳能板可节约的水量估算。地图边界来自世界银行。
这项研究揭示了液滴清洁的非单调能量依赖关系，通过明确的物理约束定义了更高效的操作窗口，减少了对经验参数调整的依赖。尽管该方法依赖于超疏水表面，且在更严苛条件（如油污混合污染物）下的性能仍需进一步评估，但研究展示了“液滴拖把”方法如何有效指导开发简单、节水、经济的表面清洁策略，为水资源短缺背景下太阳能板维护的可持续性提供了切实可行的解决方案。
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