AFM: 超潤滑Slippery軌道用于水下氣體操控

1. 引言

水下氣體在物體界面的特殊浸潤行為不僅與水生生物的生存息息相關，同樣為材料科學研究、化學工藝工程等領域的發展提供大量設計靈感。例如，水蜘蛛可以依靠具有超疏水性能的腹部束縛氣泡在水下存活多達數十天之久，在礦石浮選、工業曝氣、以及碳捕集等多個方向都依賴于水下氣體與固體的相互作用。然而，氣泡在水下的行為受浮力的影響較大并且容易形變，現存的方法很難實現氣泡在開放表面上的定向、可控輸運。因此，研究水下氣體在固體表面的浸潤行為，實現水下氣泡在界面上的快速操控，在填補理論空白、進行應用探索的雙重意義。

2. 成果簡介

自然界中的豬籠草瓶體口緣部分表面附著有一層由雨水或花蜜形成的潤滑層，稱為“Slippery surface”即“超潤滑界面”，使昆蟲可以非常容易的滑落到籠內。受此啟發，天津大學的曹墨源副研究員與北京航空航天大學的江雷院士課題組于存明博士合作，通過將疏水性超潤滑界面應用于水下體系，設計實現了具有疏水、親氣的“Slippery”氣體軌道。由于潤滑層的存在，氣體可以在浮力作用下在超潤滑界面上自由滑動。通過對于氣體導軌的性質、寬度等參數進行調節，實現了一系列水下氣泡的可控操控。此外，將“Slippery”表面與H2微氣泡發生裝置相結合，可以實現生成氫氣的快速捕獲和定向收集。

3.研究亮點

此工作首次證明了疏水性Slippery界面在水下環境中，與氣泡的獨特相互作用。在僅僅5°的傾斜角下，氣泡可以以浮力為驅動力在Slippery界面上順利滑動。同時通過Slippery軌道的參數進行設計，可以實現氣泡的定向輸運、定點釋放、連續可控分配、點對點直接操控，以及微小氣泡收集+輸運等過程。將在水下氣體相關應用領域發揮重要作用。

4. 圖文解讀

圖1. “Slippery”表面的制備與表征

(a)水滴及氣泡在“Slippery”表面的接觸角，該表面在空氣中疏水(104.6° ± 1.1°)，水下親氣(87.1° ± 2.9°)；（b）SEM表明超疏水改性的濾紙表面被超疏水納米粒子所包覆，其可以有效地吸附硅油、生成“Slippery”表面；（c, d）“Slippery”表面在空氣中對水滴以及在水中對氣泡的粘附力。

圖2. “Slippery”表面的傾斜角度及寬度（W）對于氣泡滑動速率的影響

（a）氣泡（20 μL）在不同傾斜角的“Slippery”表面（W = 2 mm）滑動情況的高速錄像截圖；（b）“Slippery”表面的傾角及寬度對氣泡滑動影響的機理分析；（c, d）氣泡（20 μL）在不同傾斜角的“Slippery”表面（W = 2 mm）的滑動速率的統計。

圖3. 氣泡在復雜“Slippery”圖形表面的滑動

（a, b）氣泡可以實現從“Slippery”三角形表面的尖部向根部的滑動，反過程則不能順利進行；（c, d）氣泡可以實現在S型及扭曲“Slippery”表面的滑動。

圖4. 氣泡在“Slippery”表面的連續及選擇性輸運

（a）氣泡在“Slippery”表面的連續輸運；（b）氣泡在叉狀圖形表面的選擇性輸運。

圖5. “Slippery”表面對氣泡的可控粘附及無損耗轉移

（a, b）“Slippery”三角形表面的不同位置對氣泡的不同粘附性能及機理分析；（c）“Slippery”表面對微小氣泡的無損耗轉移。

圖6. “Slippery”表面用于生成氫氣的連續收集及定向輸運

（a）“Slippery”表面用于氫氣-收集-輸運的示意圖；（b）“Slippery”表面用于生成氫氣的連續收集及定向輸運的光學照片。

5. 總結

該研究從大自然中獲取靈感，通過模仿豬籠草的“Slippery”表面，制備了空氣中疏水、水下親氣的“Slippery”表面，揭示了“Slippery”表面與水下氣體相互作用的機制，實現了水下氣泡的可控輸運，其有望在微流控、礦物浮選、污水處理、電解水等領域得到廣泛應用。

文獻鏈接：Yu, C., Zhu, X., Li, K., Cao, M., Jiang, L.? Manipulating Bubbles in Aqueous Environment via a Lubricant-Infused Slippery Surface. Adv. Funct. Mater., 2017, DOI:10.1002/adfm.201701605。

本文由論文作者供稿，材料牛編輯整理。

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