大自然进化出了各种各样的生物表面，它们通过被动地清除积聚在表面的任何污染物来自我清洁。这些生物表面包括昆虫（蝉和稻飞虱）、爬行动物（壁虎）和植物（莲花）。这些生物表面的共同点是，它们都有防水或超疏水的蜡涂层表面，露水在其上凝结，在成核位置会形成近球形的液滴。液滴的形成使其能够以两种不同的模式进行自清洁。在第一种自清洁模式中（见图1（a）），当相邻的冷凝液滴在超疏水表面聚结时，释放的一部分多余表面能转化为动能，驱动合并后的液滴从表面跳离。这种水滴的“聚结诱导跳跃”可在从纳米尺寸到毫米尺寸的液滴上观察到，这是蝉从翅膀上清除单个污染物的主要机制。当冷凝液滴的半径与液体的毛细尺寸相当时，就会出现第二种自清洁模式，液滴可以从表面滚下来，沿着液滴表面一次带走多个污染物（见图1（b））。这种模式通常在荷叶上被观察到，因此被称为莲花效应。与第一个模式中跳跃的液滴相比，莲花效应只对毫米大小的水滴有效（水的毛细尺寸10-3m）。然而，由于过程中涉及的表面化学和纳米级流体动力学的复杂相互作用，目前的实验仍然无法揭示自清洁过程中潜在的物理原理。

近期，英国华威大学Sreehari Perumanath提出了一个新的理论模型，并通过分子模拟揭示了这两种自清洁机制在自然界中的起源。作者还提出了一个通用相图，能够预测何时以及如何从超疏水表面清除不同尺寸（从纳米到微米）和粘合强度的颗粒。分析表明，为了清除特定尺寸的污染物，液滴半径存在上限。该工作全面揭示了自清洁表面的基本机制，所提出的理论能够在已知颗粒的性质和大小后，准确地指定如何使用冷凝液滴清除或重新定位颗粒。

       表面自清洁的颗粒位移机制作者提出了一个新的理论模型，该模型通过最近实验中观察到的两种基本自清洁机制中使用水滴来合理化粒子的清除：（i）漂浮清除（图1c）以及（ii）抬升清除（图1d）。当液滴完全浸入纳米颗粒时，任何表面都会发生漂浮清除，其中周围液体分子对纳米颗粒的吸引力Fatt足够大，足以克服Fadh（图1c）。当两个相邻的液滴在聚结后合并并跳跃时，抬升清除仅发生在超疏水表面上。在聚结即将结束时，合并的液滴即将从表面落下，由于下方颗粒的存在，液滴表面变形，成为以个类似热气球的形态（图1d）。此时，除了Fatt之外，由于超疏水基底上变形液滴界面的张力，还出现了一个补充的位错力Fγ。

图1. 表面自清洁的不同模式。

自清洁相图作者在理论基础上，提出了自清洁相图，描述了每种类型的纳米颗粒清除机制的极限（图2）。作者分别将理论预测与MD模拟和最近实验的结果进行了比较，结果具有极好的一致性。该新型自洁相图的特点可概括如下：漂浮清除发生在满足条件（2）的绿色区域，其中颗粒自发地浸入液滴中。此时，污染物的脱离发生在包围液滴没有任何变形的情况下，因此液滴的脱离不需要跳跃或滚动。由于清除结果主要由颗粒的润湿性及其与壁的粘附性驱动，因此下面的壁不需要是超疏水的。在满足条件（4）的橙色和绿色区域，可以进行抬升清除。该过程最有可能只发生在橙色阴影区域，因为实验中观察到的漂浮清除在绿色阴影区域发生得更快。在红色阴影区域内，两种情况都不存在。在该区域内，无法实现纳米颗粒的清除。在这种情况下，当系统处于热气球形态时，接触线将从纳米颗粒上脱落（图3a），或者，当接触线被固定在纳米颗粒上时，在其上方会形成液柱，这容易受到RP不稳定性的影响（图3）。这两种情况都会导致液滴独自从表面落下，不会移除纳米颗粒。

图2. 表面上纳米颗粒清除/重新定位的相图。

图3. 当系统处于自清洁相图的红色阴影区域时，纳米颗粒在超疏水表面上的横向迁移和液滴跳跃。

液滴大小对自清洁的影响作者通过分子动力学模拟，研究了液滴大小对自清洁过程的影响（图4）。对于漂浮清除，纳米颗粒应被封闭在液滴中，这表明液滴直径只需要大于颗粒的长度尺度即可，因此不存在最大液滴尺寸。对于抬升清除，自清洁时必定存在最大液滴尺寸。对于给定的颗粒尺寸，由于较大的液滴具有较小的刚度，因此在热气球形态的过程中可能会产生非常大的位移。此时，液柱可能在纳米颗粒上方形成，随后由于RP不稳定性而破裂，留下纳米颗粒（类似于图3b所示的情况）。

图4. 液滴大小对自清洁的影响

该工作精确地确定了在不同表面上利用液滴漂浮清除、抬升清除或不清除纳米颗粒的机制的条件，并提供了自清洁相图，可以指导未来的实验。作者发现，如果液体/纳米粒子的吸引力克服了固体/纳米粒子的附着力，漂浮清除可以从任何表面清除纳米粒子。对于抬升清除，下面的表面需要是超疏水的。冷凝液滴的大小对自清洁过程有着至关重要的影响，尤其是在抬升清除过程中。该工作证明，冷凝液滴驱动的纳米颗粒传输可以成为在超疏水表面上横向重新定位单个纳米颗粒的强大工具，可用于未来电子和生物传感器中的局部精密清洁或精密组装。