在自然界中，许多植物的表面和鸟类羽毛都能提供有效的防水能力，这被称为超疏水表面。超疏水性可以直接用水滴的表观触角表示，其具有高的表观接触角>150°，和低的接触角滞后<10°。超疏水表面由于其良好的抗污染、抗黏着和自洁等特性，成为了学术界和工业界的热门话题。基于能量最小化方法的连续介质模型被广泛的应用于计算的润湿转变过程的能量路径。在超疏水表面上通常可以存在两种不同的润湿状态，即Cassie态和Wenzel态。人们普遍认为，如果能克服相应的能垒，亚稳态Cassie态可以转变为Wenzel态，称为润湿转换。基于能量最小化方法的连续介质模型被广泛应用于分析润湿转变。需要注意的是，超疏水表面上发生润湿转变的时间尺度是在毫秒内，直接观察润湿转变是非常困难的。因此，通常用假想的润湿路径来计算润湿转换过程中的自由能的变化。尽管已经得出了一些重要的结论，但假定的湿润路径无疑限制了计算的准确性。

基于上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心何鑫作为第一作者，王晓东教授作为通讯作者，在化学领域的国际期刊Journal of Molecular Liquids上发表了基于电润湿控制的液滴在柱状阵列微结构表面上的润湿转换，论文题目为“Electrowetting-based control of wetting transition of a nanodroplet on pillar-arrayed surfaces”。通过MD模拟发现了微结构表面的沟槽被液体依次润湿，这与传统分析中的假设不同。因此，通过MD模拟揭示的润湿路径并结合连续介质模型的方法可以准确地计算出润湿转换过程的能量路径。

【论文概述】

文章研究了纳米液滴在微结构表面上的电润湿过程及相应的能量路径，并且研究了表面粗糙度和固有润湿性对润湿转换的影响。发现在润湿转换过程中存在多个能量最小值，并且每个能量最小值都对应一个部分润湿状态。在电场强度相同的情况下，表面粗糙度较高的微结构表面仅呈现部分润湿状态，而不是Wenzel状态。这是由于增加表面粗糙度增加了固-液接触面积，从而阻止了流体的进一步入侵。在一系列较高的电场作用下，可以观察到另一种局部润湿态和Wenzel状态。对于亚稳态Cassie润湿区域，Wenzel态的能量低于Cassie态，因此不能发生自发的去湿转变。相反地，在全局稳定的Cassie润湿状态下，会观察到自发去湿转变。因此，全局稳定的Cassie构型是自发去湿转变的前提条件。

（初始模拟的示意图）

纳米水滴在柱状阵列表面的电润湿转换过程的快照

修正的电润湿过程的能量曲线

纳米液滴在高表面粗糙度的微结构表面发生润湿转换过程的能量曲线

纳米液滴在低固有润湿性微结构表面上发生润湿转换过程的能量曲线

基金资助:国家自然科学基金重点项目(No. 51936004);国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目(No. 51821004);中央高校基本科研业务费专项资金(No. 2020MS063)。

撰稿人：何鑫