北航江雷院士&劉克松等人AFM: 創新設計單層、超好氧性的濾網用于水下氣泡的連續收集和運輸

【背景介紹】

眾所周知，在水性介質中，氣泡是幾乎無處不在的且無法避免，對于工業生產和日常生活具有各種積極的和消極的影響。其中，水下氣泡在催化反應、環境修復和生物醫學等領域具有廣闊的應用前景。然而，水下氣泡也可能會導致嚴重的有害影響。例如，甲烷（CH₄）在水生系統（海洋、湖泊等）中擴散到大氣中的潛力是二氧化碳的25倍，既對全球變暖造成了影響，又浪費了本可以用作燃料和工業產品原料的資源。因此，對水下氣泡進行控制，從而實現氣體的收集和輸送具有重要意義。

目前，許多研究都是集中在對水下氣泡的定向操縱上。為了實現材料表面的梯度潤濕性，研究人員開發了一系列梯度幾何形狀（棘輪、錐、梯形、圓柱體）以及梯度表面自由能，用于水下氣泡的輸運。此外，另外，也制造了具有可逆的潤濕性轉換的表面，以通過在水下的超好氧性和厭氧性間進行選擇性的轉換來捕獲或排斥水中的氣泡。近年來，研究人員也制備了紙基注入潤滑劑的光滑（LIS）表面，用低粘度硅油潤滑以控制水性環境中的氣泡。然而，上述這些研究主要集中在微氣泡的尺寸控制和在開放表面上氣泡的定向輸送。因此，開發出可實現水下氣泡的連續收集和運輸策略仍然極具挑戰性。

【成果簡介】

基于上述問題，北京航空航天大學的劉克松教授（通訊作者）、Dongliang Tian（通訊作者）和江雷院士等人受到水蜘蛛氣體存儲機制的啟發，通過設計一個由石英管組成的單層水下超好氧濾網（USM），展示了一種連續收集和運輸水下氣泡的策略。其中，注射泵提供的氣泡首先穿過網孔，然后聚集在石英管中形成氣柱。當氣柱達到最大存儲高度/壓力時，就會發生塌陷。在連續不斷的供應氣泡下，壓力的變化就成為一個循環過程，其作用類似于泵，在裝有不對稱U形管的USM設備中將氣泡連續的從水相輸送到氣相中。這種新穎的氣體收集和運輸系統為開發用于管道、傳感器、氣體收集和環境保護的新技術提供了新思路。該研究成果以題為“An Innovative Design by Single-Layer Superaerophobic Mesh: Continuous Underwater Bubble Antibuoyancy Collection and Transportation”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、對制備的篩網的形貌和潤濕性進行表征
（a）原始網格的SEM圖和水下氣泡的接觸角照片；

（b）氨堿腐蝕后網格的SEM圖和水下氣泡的接觸角照片；

（c）正十四烷基硫醇改性的原始網格的SEM圖和水下氣泡的接觸角照片；

（d）正十四烷基硫醇改性的氨堿性腐蝕后網格的SEM圖和水下氣泡的接觸角照片。

圖二、防浮氣體存儲裝置示意圖以及對氣柱最大存儲高度和石英管中臨界穿透壓力的影響
（a）用于氣體收集的浮力氣體儲存裝置的示意性過程；

（b）氣體在水下的潤濕性對最大存儲高度和最大壓力的影響；

（c）USM孔徑對氣柱的最大存儲高度和壓力的影響；

（d）壓力變化的循環過程。

圖三、儲氣裝置的機理
（a）氣泡和網格的不同接觸狀態顯示在（a₁）和（a₂）中；

（b）當注射泵的力（F_s）達到臨界值時，氣泡克服了浮力（F_b）和靜水力（F_h），逐漸變形并滲透到網孔的水流中；

（c）當初始氣泡通過網孔時，水網孔處于開放狀態，且在網孔中會形成氣體通道；

（d）在連續供應氣體的情況下，氣柱的高度（h）將逐漸增加，而F_b將同時增加。

圖四、氣體存儲和運輸的設備的操作演示
（a）儲存和運輸系統的示意圖；

（b）氣體儲存和運輸過程的實驗室演示；

（c）網格和水面之間的距離（h₁）與右側水柱高度（h₂）的線性關系；

（d）h₂與氣體收集/運輸周期之間的關系。

【總結】

綜上所述，本文中演示了水下氣泡的連續收集和運輸策略。無論空氣/水界面如何，都可以實現連續的氣泡傳輸。該裝置收集氣泡并密封，是由單層USM和石英管組裝而成。此外，為了實現連續的氣體收集和運輸，將不對稱U形石英管裝置與USM相結合。通過這種設計，氣泡在底部被連續收集并輸送到水的上方，從而實現了從水相到氣相的連續輸送而不會泄漏到大氣中。總之，該研究為水下氣泡收集和運輸系統的設計提供了新思路，對于捕獲對大氣或人體健康有害的氣體或許特別有用。

文獻鏈接：An Innovative Design by Single-Layer Superaerophobic Mesh: Continuous Underwater Bubble Antibuoyancy Collection and Transportation（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201907027）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.