液滴撞击到固体表面后的铺展与回弹行为在微流控、能量收集、自清洁、喷墨打印领域中扮演着至关重要的角色。回弹角θ作为一个基础且关键的参数，长期被认为存在理论极限。目前已报导的研究的回弹角θ≥26.7°，其极限值始终未被突破。近日，香港理工大学王立秋教授/中科院化学所宋延林研究员/南昌大学胡笑添教授/香港城市大学Steven Wang教授等人通过创新性表面设计，实现了液滴近乎0°的极限回弹角，并揭示了其物理机制。该成果发表于Nature Communications（2025, 16:5684），第一作者为赵志鹏博士，该成果为液滴操控技术开辟了新维度。

液滴的“贴地飞行”行为

  仅仅依靠液滴撞击过程中的动能，而不需要外场耦合实现液滴“贴地飞行”似乎难以实现。研究团队通过在超疏水表面构建异质修饰的纳米结构，设计出一种具有图案化润湿性（PW）的表面：其中包含一个超亲水弧形区域（SHL arc）。当液滴撞击该表面时，会在收缩过程中被弧形区域“抓住”，并在精心设计的两个方向的不对称粘附力的作用下，沿表面水平滚动，反弹角低至 0°，实现了真正的“贴地飞行”。

图1 液滴回弹角度极限

机制揭秘：“双弹簧”模型

  研究者提出一个巧妙的类比：液滴在运动过程中如同两个互相垂直的弹簧系统：垂直弹簧：消耗竖向速度，使其降为零；水平弹簧：积累横向动量，推动液滴滚动。超亲水弧区就像是一个“固定铰链”，在恰当的时机施加力，实现动能的有效转化。

图2 两个方向力的调控

力学揭秘：消除液滴撞击过程中第二个力的特征峰

  研究团队通过分析与测量水平和竖直方向的力，并探究了其精准调控机制。尤其在竖直方向上力的分析与测量过程中，研究团队发现，通过基底设计，可以将液滴撞击到固体表面的两个特征峰中的一个消除（图2b）。

关键参数：如何设计表面才能实现“贴地滚动”？

  团队通过系统实验，确定了两个关键无量纲参数：

·α′ = α/(2π)（弧区开口占比）

·L′ = L/D（线宽与液滴直径比）

  只有当二者协调时，液滴才能实现水平滚动。否则会出现粘附、垂直反弹等现象。

图3 参数设计：图案和液滴

倾斜、弯曲表面拓展

  这种边界滚动行为（Boundary-rolling rebound）并不仅限于水平表面。研究团队发现，液滴可以在倾斜角达17.4°的斜面向下爬行：

  无论是在凹面还是凸面上，液滴都能紧贴边界完成向上或向下的滚动：

图4 应用展示

应用展示：清洁效率提升349%，微流控运输无外力操控

  研究团队展示了该技术在多领域的应用潜力。高效自清洁：液滴沿倾斜表面滚动，可带走大量污染物，清洁效率比普通超疏水表面提高349%。无外场微流控传输：液滴可在L形、弯曲、复杂通道中自主运动、融合，无需外加电场、磁场等控制，为微流控芯片设计提供新思路。

  这些场景都无需任何外部能量场（如电场、磁场等）的辅助，仅靠液滴自身的动能和表面设计即可实现。

  这项研究实现了液滴0°反弹的极限行为，提出了“双弹簧”理论模型，并展示了其在清洁、微流控等领域的广泛应用前景。液滴的“贴地飞行”不再只是想象，而是可设计、可控制、可应用的现实。

  论文信息：
  Zhao, Z., Li, W., Hu, X. et al. The limit of droplet rebound angle. Nat. Commun. 16, 5684 (2025).
  https://doi.org/10.1038/s41467-025-61300-4