近日，北京理工大学科研团队在疏水植物界面浸润性研究领域取得突破，该研究指出表面极性是决定植物叶片表面浸润性的关键，澄清了传统观点所认为的微纳结构和蜡质层为疏水主导因素的认识误区。相关研究成果以 “Beyond Microstructures: Surface Polarity as the Key To Reversible Hydrophobicity in Natural Plant Leaves” 为题发表在国际知名期刊《Langmuir》上（DOI:10.1021/acs.langmuir.5c05926）。北京理工大学集成电路与电子学院王业亮教授、刘霞教授，前沿交叉科学研究院黄元教授为论文共同通讯作者，前沿交叉科学研究院博士生刘冠初为第一作者。

图1 四种不同植物叶片疏水性与亲水性的可逆调控

植物叶片的超疏水特性，如荷叶、水稻叶的 “出淤泥而不染”，长期被归因于表面的层级微纳结构和蜡质涂层，这一认知也成为相关仿生材料研发和农业应用的重要理论依据。然而，实际农业生产中，作物叶片的强疏水性导致农药液滴易反弹、难附着，造成大量农药流失和环境污染，而现有技术难以实现叶片疏水性与亲水性的可控、可逆转换。

针对这一科学问题和产业痛点，研究团队以水稻、荷叶、芦苇、三叶草四种典型疏水植物叶片为研究对象，开发了基于氧等离子体的表面改性策略，实现了叶片疏水性与亲水性的可逆切换。实验结果显示，经 1-3 秒氧等离子体处理后，四种叶片的水接触角从初始的 120° 以上（芦苇叶达 138°）骤降至 15-27°，完全转变为亲水性；而通过接地导走表面电荷或去离子水冲洗的方式，叶片接触角可恢复至 125° 左右，重新恢复疏水性。更值得关注的是，该可逆切换过程可稳定重复百次以上，荷叶经 100 次循环处理后接触角仅小幅下降，其余三种叶片变化均小于 8°，展现出优异的稳定性。

图2 等离子体处理前后四种典型疏水性植物叶片表面形貌的比较

图3 水稻、荷叶、芦苇及三叶草叶片经多次处理后的接触角恢复实验

图4 氧等离子体处理后表面电荷验证

为验证核心调控机制，团队通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多种表征手段证实，等离子体处理未改变叶片的微纳结构和表面化学组成（蜡质层无明显变化），排除了结构和化学改性的影响。进一步利用单层石墨烯、验电器等开展电荷表征实验，明确了等离子体处理会在叶片表面引入均匀正电荷，这是导致疏水性向亲水性转变的关键；而电荷的移除则是叶片恢复疏水的核心原因，由此确立了表面极性（电荷） 作为植物叶片润湿性调控的主导因素。

该研究的另一重要价值在于实现了农业应用的初步验证。水稻田中的水稻茎秆与水平面夹角常超 60°，传统农药液滴在疏水水稻叶片上易反弹流失，而经等离子体处理后的水稻叶片，在大倾角范围内仍能实现农药液滴的有效铺展和附着，显著提升了农药利用率。同时，该方法实现的亲水性具有可逆性，后续降雨或水洗可移除农药残留并恢复叶片固有疏水性，兼顾了农药利用效率与食品、环境安全。

与传统的电浸润（EWOD）等浸润性调控技术相比，该研究提出的策略具有无接触、无电极、操作简便的优势，无需对天然不规则的植物表面进行复杂改性，更适合田间实际应用。这一发现不仅重塑了对天然生物表面疏水性形成机制的理解，突破了经典的 “结构-化学” 双因素模型，还为功能材料的润湿性工程化设计提供了新范式。

在农业应用层面，该技术为精准农药递送、可持续农业管理提供了全新解决方案，若能开发出便携式、大田适用的等离子体发生设备，有望大幅降低农药使用量，减少农业面源污染，助力绿色农业发展。同时，该机制也为自清洁表面、微流控芯片、油水分离等领域的材料设计提供了新的思路，具有广泛的跨学科应用前景。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、中国科学院青年交叉团队、北京凝聚态物理国家研究中心等项目的资助。

论文详情：Guan-chu Liu, Jia-hao Yan, Li Zheng, Xu Han, Long-shuo Gu, Qi-liang Huang, Han-yuan Chen, Sheng Meng, Li-wei Liu, Yun-yun Dai, Xia Liu,* Ye-liang Wang,* and Yuan Huang*，Langmuir., 42(4), 3512 (2026).

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c05926

附作者简介：

王业亮，北京理工大学教授，国家级领军人才。近年发展新型外延生长技术，针对大功率器件与材料、低功耗超高密度信息存储等领域的瓶颈，开发基于新原理的新工艺，在原子尺度上针对新型电子材料及其异质结构的构建、性能测量和调控、器件设计和性能测试。主要研究成果包括在Nature, Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊发表论文400余篇，英文书籍5个章节（1个为书籍封面），被引15000余次，其中单篇最高他引2000多次，曾入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。多项工作被Nature及其子刊作为研究亮点报道，获得国际重要学术会议40多次邀请报告。

黄元，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，国家优秀青年基金获得者，重庆市杰青，北京理工大学特立青年学者，中国科学院青促会数理分会理事，中国科协“中国科技新锐人物”。曾获中国电子学会自然科学二等奖、中国发现协会二等奖、日内瓦国际发明博览会银奖（排名第一）等荣誉。主要研究领域集中在二维材料制备，表征，物性测量/调控，以及相关交叉科学等研究方向。以第一/通讯作者在Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Nano, Nano Letters,  Advanced Materials等共计发表SCI论文170余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章70余篇，论文总引用10000余次。担任《InfoScience》《Applied Physics Review》副主编。 

刘霞，北京理工大学集成电路与电子学院教授，主要从事界面物理、功能材料改性及器件应用研究，在生物界面润湿性、低维材料界面调控等领域取得多项创新成果，相关研究发表于Langmuir、Adv. Mater. 等国际期刊，为功能材料的工程化应用提供了重要理论和技术支撑。