2.4七叶皂素溶液在疏水表面的撞击行为

液滴在固体表面的润湿和铺展对许多工农业生产过程具有重要意义.如农药药液在剂量传递过程中，常因作物叶片疏水无法在其表面有效润湿而发生破碎飞溅、弹跳滚落等现象，药液进入环境造成污染的同时也影响了施药效率.液滴在固体表面的润湿是一种固-液界面现象，表面活性剂的引入可以有效调控该过程.为探究七叶皂素对液滴固-液界面相互作用的调控效果，以疏水的PTFE膜为固体基底（接触角为137°），将添加七叶皂素的液滴从30 cm高处自由下落至PTFE表面，并使用高速摄像机记录液滴下落、铺展、弹跳的全过程.

图5（A）展示了水和不同浓度七叶皂素溶液撞击PTFE疏水表面的动态过程.可以看出，水在撞击PTFE表面后完全弹起，而且有较多飞溅碎裂，在80 ms时并不能润湿疏水表面.七叶皂素浓度为1×10-4mol/L时，液滴在撞击后仍有较大程度的反弹，但未能完全弹起，且平衡后在一定程度上实现了铺展.当浓度升高至5×10-4mol/L，液滴的反弹得到了明显抑制，平衡后在疏水表面的沉积和铺展有所改善.浓度进一步升高至1×10-3mol/L时，液滴不再有明显的反弹趋势，且碎裂现象也得到了很好的抑制，平衡后能在表面很好地沉积和铺展.

为了更好地了解液滴与固体表面作用的全过程，分别量取液滴初始直径D0、铺展直径Dt、弹跳高度Hr，采用归一化铺展直径（Dt/D0）和归一化弹跳高度（Hr/D0）对时间t作图［图5（B）和（C）］，并计算了整个过程的撞击参数［液滴初始直径（D0）、最大铺展直径（Dmax）、回缩速率（Vret）、最终直径（Df）、最大回弹高度（Hmax）和回缩百分比（RP）］（表1）.

从图5（B）和（C）及表1可以看出，不同液滴在疏水表面上发生撞击后均发生相似程度的铺展，之后发生回缩.水滴回缩速率（0.44 m/s）较大，且回缩百分比达到68%.向水中加入少量七叶皂素，浓度为1×10-4mol/L时，回缩速率（0.26 m/s）明显降低，但回缩百分比没有明显改善.随着七叶皂素浓度增大，液滴回缩明显减弱.浓度为1×10-3mol/L时，回缩速率低至0.08 m/s，且仅液滴的24%发生回缩，可以认为达到了很好的抑制回弹的效果.而考察弹跳情况时发现，水滴因完全弹起离开表面，所以Hmax/D0最高达到2.33.与之相比，七叶皂素加入后，明显抑制了液滴的弹起，且随着浓度增大，抑制作用明显增加.

液滴在固体表面的弹跳行为由液体性质和固体表面性质共同决定，通常对于特定场景，固体表面性质多是固定不变的，因此主要通过改变液体的性质（黏度、表面张力）来调控液滴的弹跳行为.为了考察七叶皂素抑制液滴回缩过程中，液体黏度是否起到一定作用，测定了水和不同浓度七叶皂素溶液的黏度.如图5（D）所示，所有样品的黏度随剪切速率的增加会先下降后达到平衡，不同样品的黏度结果相似，无明显差异。

可见，与聚合物增加拉伸黏度不同，对于七叶皂素而言，抑制液滴在疏水表面上回缩的主要因素不是黏度，而是表面张力的差异.液滴先在惯性力作用下发生相似程度的铺展，随后在各自表面张力作用的驱动下发生不同程度的回缩.纯水具有较高表面张力，因此快速发生明显回缩.相比之下，在纯水中加入表面活性剂七叶皂素之后，液滴铺展过程中，七叶皂素分子会迅速从体相迁移到新生成的固-液-气界面处，在界面处有效吸附（见Scheme 1），亲水糖基朝向液体内侧，疏水的三萜骨架环朝向外侧，降低表面张力，进而使得回缩速率显著减缓，回缩百分比显著减小.随着七叶皂素浓度升高，分子界面吸附量增多，表面张力减小幅度更大，这种抑制回缩的作用也更明显.可见，高浓度的七叶皂素可以有效抑制液滴撞击疏水表面后的弹跳、迸溅，并使之很好地润湿并铺展，在增加农药对靶沉积和提高剂量传递效率方面具有重要意义.

3结论

系统研究了天然产物七叶皂素的气-液、液-液（油-水）、液-固界面性质，分别探究了其表面张力、油-水界面张力，以及以七叶皂素为乳化剂所制备乳液的性质.在此基础上，还研究了其溶液在疏水表面撞击的动态过程及抑制弹跳和回缩的能力.研究发现，七叶皂素能在气-液界面发生吸附，显著降低水的表面张力，临界胶束浓度为5×10-4mol/L.同时，其对于降低油-水界面张力也有显著作用.以七叶皂素为乳化剂制备的农用油乳液，随浓度增大粒径逐渐降低，Zeta电势的绝对值逐渐增大，短时间内的稳定性显著提高.此外，高浓度的七叶皂素溶液可以很好地抑制液滴在疏水固体表面的弹跳，促进液滴铺展.研究结果对深入理解生物基表面活性剂的界面行为及拓展其应用具有重要的借鉴意义.