大家好！在生活中，我们经常能看到水波荡漾，像大海里的海浪，池塘里的涟漪。科学家们对这些水波的研究已经持续了几个世纪。不过今天，我们要一起探索一种很特别的水波，它出现在水下超疏水表面，这可不是我们常见的水面哦！这种特殊表面上的波有着许多神奇的特性，接下来，就让我们一起揭开——《Fast capillary waves on an underwater superhydrophobic surface》发表于《nature communications》。

*本文只做阅读笔记分享*

一、界面波研究背景与超疏水表面介绍

几个世纪以来，界面波在各种条件下的传播，像深水、浅水里的情况，都被科学家们深入研究过。比如说，我们看到的海洋里的波浪冲向岸边，这就是一种常见的水波现象。但是，在水下超疏水表面的界面波，研究得还比较少。超疏水表面就很神奇啦，它能在水下稳定地留住一层薄薄的气体，这层气体就像一个小小的“气垫”，我们把它叫做“plastron”（气层）。这层气层的存在，为水波的传播创造了独特的条件。

在以前的研究里，像毛细管波这种表面张力主导的机械扰动，在自由条件（比如深水）和受限条件（比如浅水、窄通道）下都有不少研究成果。但是，被微结构约束的界面上的毛细管波，还缺少系统研究。超疏水表面的特殊性质，让这种研究成为可能。像莲花、水蕨的叶子，还有一些水生动物的外骨骼，它们天然的超疏水特性就给了科学家很多灵感。在水下，超疏水表面的微结构能留住空气形成气层，但这个气层也可能因为环境变化而受到影响，比如气体溶解或者压力变化，气层可能会减少甚至消失，这就涉及到气层稳定性的问题啦。

二、实验结果惊喜连连

（一）plastron波的产生与频率特性

当用超声去“戳”水下的气层时，气-水界面上会产生一圈圈像涟漪一样的波，这就是plastron波。科学家们发现，通过调节超声的调制频率，可以控制plastron波的频率。而且，plastron波的频率和调制频率之间有一个很有趣的关系，差不多是2:1。比如说，当调制频率在4.8-6.3kHz变化时，plastron波的频率就在9.5-12.1kHz变化。这就好像它们之间有个约定一样，这个规律也证明了调制超声产生的力是激发plastron波的关键因素。

（二）约束和边缘对波特性的影响

改变微柱的间距，也就是改变气-水界面三相接触线的密度，会发现plastron波的特性有很大变化。不同间距下的波，波数和频率的关系都不一样。而且，随着微柱间距变小，波的相速度会增大。这和传统的深水毛细管波可不一样，传统的深水毛细管波相速度可不是这样变化的。

还能看到plastron波的相速度比传统深水波快很多，最快能达到传统波的45倍呢！就像短跑运动员和普通人跑步速度的差距一样明显。而且，用一个半经验模型和实验数据对比，发现模型和实验结果符合得还挺好，这也进一步验证了实验结果的可靠性。

（三）柱高对波特性的影响

微柱高度对plastron波也有影响哦！当固定微柱间距为25μm，改变微柱高度时， plastron波的角频率比传统深水毛细管波高，而且和微柱高度的关系有点复杂。

相速度和微柱高度呈现一种类似二次曲线的关系，在微柱高度为37μm左右时，相速度有一个局部最大值。在这个高度以下和以上，相速度都会下降。科学家们猜测，这可能和气体的粘性边界层有关，就像给波的传播设置了“障碍”一样，但具体原因还需要进一步研究。

（四）plastron波用于监测plastron的稳定性

plastron波还有一个很厉害的功能，就是可以用来监测气层的稳定性。因为plastron波的特性和plastron的状态密切相关。当周围水的气体浓度变化时，气层会发生变化，比如在气体过饱和的水里，气层会膨胀；在气体不饱和的水里，气层会溶解。这些变化都会反映在plastron波的相速度上。在不同气体浓度的水里，随着时间推移，plastron波的相速度会有明显变化。这就像给我们提供了一个“信号”，让我们能通过波的变化了解气层的情况，而且这种监测方法是非破坏性的，不会对气层造成伤害，非常实用。

三、研究结论与未来展望

通过这次研究，科学家们发现了一种全新的界面波——plastron波。它在水下超疏水表面的气-水界面传播，有着独特的性质。虽然现在对它的一些行为还不能完全用现有的理论解释清楚，比如说相速度和微柱高度的关系，还需要更多研究。但是，它已经展现出了很大的应用潜力。在未来，它可能会在很多领域发挥作用，像微流体、生物医学、材料科学等等。说不定以后我们的生活中，就会有很多基于这种波的新技术出现呢！今天的分享就到这里啦，希望大家对水下超疏水表面上的快速毛细管波有了更有趣的认识！

四、一起来做做题吧

1、在界面波研究领域，过去的研究情况是怎样的？（ ）

A. 对水下超疏水表面的界面波研究很深入

B. 毛细管波在各种条件下都缺乏研究

C. 主要研究了自由和受限条件下的界面波，对水下超疏水表面受微结构约束的毛细管波研究不足

D. 已经完全掌握了界面波的所有特性

2、关于约束和边缘对 plastron 波特性的影响，下列说法正确的是（ ）

A. 微柱间距对 plastron 波的色散关系没有影响

B. plastron 波的相速度随波长减小而增大

C. plastron 波的传播速度比传统深水毛细管波慢

D. 减小微柱间距，plastron 波的相速度会增大

3、利用 plastron 波监测 plastron 稳定性的原理是（ ）

A. plastron 波的频率与 plastron 稳定性直接相关

B. plastron 波的相速度变化能反映 plastron 的形状、体积或内部压力的变化

C. plastron 波的衰减比能体现 plastron 的稳定性

D. plastron 波的波长与 plastron 的稳定性无关

参考文献：

Fauconnier, M., et al. Fast capillary waves on an underwater superhydrophobic surface. Nat Commun 16, 1568 (2025).