ACS Nano：“Slippery”形狀梯度表面用于高壓環境下的氣泡的定向及連續輸運

【引言】

水下氣泡在固體表面的行為不僅與生物的生活息息相關，而且在工業、軍事等領域存在重要的應用。例如水蜘蛛可以依靠其超疏水腹部束縛氣泡在水下存活數十天之久，氣泡在礦物表面的粘附在礦物浮選領域存在廣泛應用，潛艇表面吸附的氣泡可以有效降低潛艇在水下運動時的阻力等。然而，氣泡在水下的行為受浮力的影響巨大，現存的方法很難實現水下氣泡的定向、可控操作。

近年來，北京航空航天大學化學學院江雷院士團隊的于存明博士研究小組與天津大學的曹墨源副研究員課題組密切合作，就水下氣泡操控這一課題展開了細致的研究。其通過制備制備超疏水螺旋及水下超親氣形狀梯度表面實現了水下氣泡的定向及連續輸運（J. Mater. Chem. A 2016, 4, 16865. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1705091.）；通過制備水下超疏水PMMA圓片陣列實現水下氣泡的有效黏附（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702020.）；通過制備Slippery表面實現了氣泡在浮力作用下的定向輸運（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701605.）。很多實際的應用場景都會涉及到高壓操作，比如深水或高壓反應釜，由于高壓的作用水會擠破氣膜進入超疏水表面的微納結構中，使其失去水下超親氣的特性。因此高壓環境下的氣泡操控仍是一大難題。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學江雷院士團隊的于存明博士研究小組與天津大學的曹墨源副研究員課題組合作，通過激光切割、超疏水納米粒子修飾、氟化液浸潤等方法制備了具有形狀梯度的Slippery表面，實現了高壓環境下氣泡的定向及連續輸運。相關研究論文近期發表于ACS Nano期刊上，第一作者為北京航空航天大學化學學院本科生張春暉。

【圖文導讀】

圖1 超潤滑Slippery表面的設計及制備，氣泡可以在其上實現自發、定向輸運

超疏水納米粒子修飾、氟化液浸潤等方法制備了具有形狀梯度的Slippery表面(圖1A)，其可以實現高壓環境下的氣泡定向、連續輸運(圖1B)。研究人員探究了梯形頂角和氣泡體積對氣泡輸運距離和輸運速率的關系，發現梯形頂角越小、氣泡體積越大，越有利于氣泡的輸運（圖1C和圖1D）。

圖2 氣泡在形狀梯度Slippery表面上的輸運機理

研究人員對于這些現象進行了詳細的機理分析，發現氣泡在梯形Slippery表面運動的驅動力來自氣泡受限所產生的非對稱拉普拉斯壓力(圖2)。在非對稱拉普拉斯壓力的驅動下，氣泡也能夠在S型、螺旋形等形狀梯度Slippery表面上輸運，并可實現反浮力輸運。

圖3 氣泡的連續輸運及微氣泡收集

在實現單個氣泡的自發、定向輸運的基礎上，研究人員通過注射器針頭向Slippery表面頂端(Tip Side)連續注入空氣實現了氣泡的連續輸運(圖3 A和圖3B)。受針頭直徑的限制，引入的單個氣泡體積較小，會很快輸運到非受限區域而停止運動。但當后續氣泡“追趕”上前面的氣泡時，它們會合并為一個更大體積的氣泡，使其從非受限狀態又重新轉變為受限狀態，繼續向前輸運。不斷的重復“停止—合并—輸運”這一過程，氣泡最終可以輸運到梯形Slippery底端(Root Side)。此外，研究人員通過設計制備雪花型Slippery表面，可以實現水中CO₂微氣泡的連續輸運和收集(圖3 C和圖3D)。

圖4 高壓下的氣泡輸運及析氫集氣

將Slippery表面置于高壓容器中，在約6.5 atm的高壓下，其仍能粘附氣泡并實現氣泡的定向輸運(圖4Ai)。與之相比，形狀梯度超疏水表面在相同的高壓環境下不能粘附氣泡(圖 4Aii)。這是由于高壓環境下，水會“擠進”超疏水表面的微結構中，導致其超疏水效果失效，失去了水下超親氣的特性。而Slippery表面實際起到氣泡粘附作用的是其表面的氟化液，由于氟化液不可壓縮，即使在高壓環境下，具有形狀梯度的Slippery表面仍能粘附氣泡，實現氣泡的定向輸運。在驗證高壓環境該材料定向輸運氣泡能力的基礎之上，研究小組通過設計制備星型Slippery電極，實現了高壓水環境下析氫反應的氫氣收集(圖4 B和4C)。

【小結】

該研究為解決高壓水環境下氣泡可控操作這一難題提供了可行思路，通過將豬籠草的耐高壓的Slippery表面與仙人掌的形狀梯度結構相結合，利用氣泡在形狀梯度表面限域產生的非對稱拉普拉斯壓作為驅動力，實現了常壓和高壓水環境下氣泡的自發、定向輸運，有望應用于水下微氣泡收集、電解集氣等領域。

文獻鏈接：Bioinspired Pressure-Tolerant Asymmetric Slippery Surface for Continuous Self-Transport of Gas Bubbles in Aqueous Environment.（ACS Nano，2018，DOI: 10.1021/acsnano.8b00192）

本文由于存明博士提供，特此感謝。

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