近日，南京大学物理学院赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授与南京师范大学褚宏晨研究员的合作团队提出了一种全新的电磁超表面调控手段，即利用露珠的凝结和蒸发过程，实现超表面衬底上露珠超原子阵列的产生、消失和形貌调控，并展示了此可调露珠超表面（Tunable Dewdrop Metasurfaces）在宽频微波吸收调控和散射波前调控等方面的优异表现。这项研究不仅展示了一种独特的基于凝结和蒸发的动态调控机制，并有望推广至光频段和声学超表面设计中，实现更灵敏，更丰富的新奇可调超表面。论文以“Dewdrop Metasurfaces and Dynamic Control Based on Condensation and Evaporation” 为题，发表于国际期刊 Advanced Science (《先进科学》)。

    目前，大部分基于水的可调控超表面的调控手段主要聚焦于机械调控、电调控等传统方法，存在制作难度高，难以大规模应用和生产的限制。因此开发新的超表面调控手段，简化超表面制备步骤，实现大规模应用和功能创新是目前基于水的超表面研究所面临的问题。有趣的是，在自然界中，许多动植物存在利用环境条件和自身表面特性实现对环境中水蒸气收集和利用的实例，如清晨荷叶表面冷凝的露珠，沙漠甲虫背部凝结收集环境中的水蒸气等。它们利用变化的环境条件，凭借进化出的生物表面润湿度特性来操纵露珠冷凝。如果能够将凝结与蒸发过程应用于超表面的单元调控之中，实现对电磁波多维度的调控，这不仅是一种全新的超表面的调控方式，还为新型的清洁、环保、经济的可调超表面开辟新的思路（图1）。

图1. 自然界中的露珠冷凝实例与可调露珠超表面概念。

    实现可调露珠超表面的关键为构造可环境调控的露珠阵列。水蒸气在不同润湿度表面上的冷凝类型、冷凝速度存在巨大差异：对于表面能较高的亲水表面，初始露珠生长形态从球形转变为岛状不规则液滴，最终合并生长为大露珠浸润亲水区域；而对于表面能较低的疏水表面，露珠在其上的形态在较长时间内基本保持不变，呈现分立的球形。此外，亲水表面具有更高的初始成核密度，这意味着初始露珠的合并和生长更容易发生，亲水区域的露珠冷凝速度明显高于疏水区域。基于此，研究人员通过设计基底表面上独特的润湿性分布，实现在冷凝过程中露珠在亲水区域生成，并让其具备设计的形状和阵列。

    此外，除了冷凝表面的润湿度特性会影响水蒸气的冷凝表现，露珠的冷凝过程受衬底冷却温度、环境水蒸气温度和环境湿度共同影响，这三个环境因素都将影响冷凝露珠的体积和露珠形貌。研究人员构造了一个可实时调控环境温度和湿度的露珠冷凝系统，以实现人工调控环境的相对湿度和温度参数，实现对超表面上露珠单元长生和形态的实时控制。

    研究团队通过两个实例展示了露珠超表面的电磁波调制能力，第一个实例利用露珠超表面实现可调控的超宽带微波吸收。第二个实例验证了露珠超表面对微波散射方向，即对散射波前的调控能力。通过调控环境温度，衬底冷凝温度和环境相对湿度，成功实现了对露珠冷凝和蒸发过程的调控，从而实现超表面单元露珠阵列产生、消失及形貌变化控制，最终验证了这两种电磁波调制能力。

    这一创新性调节手段有望在未来应用于不适合电、光/热或机械调控的环境中，例如，用于墙壁、岩石，甚至树叶上，通过自然界环境条件变化引起的露水凝结和蒸发过程，实现对微波的控制与调控。此露珠超表面不仅清洁环保，且制造成本低廉，适用于多种应用场景，还有望推广至光频段和声学超表面应用设计之中，实现更灵敏，更丰富的新奇可调超表面应用。

    南京大学物理学院硕士研究生贾润琪和博士研究生景永鑫为论文共同第一作者；南京师范大学褚宏晨研究员与南京大学彭茹雯教授、王牧教授、赖耘教授为论文共同通讯作者。本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等资助，同时也得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

论文链接： https://doi.org/10.1002/advs.202404010