ACS Nano：“Slippery”形状梯度表面用于高压环境下的气泡的定向及连续输运

【引言】

水下气泡在固体表面的行为不仅与生物的生活息息相关，而且在工业、军事等领域存在重要的应用。例如水蜘蛛可以依靠其超疏水腹部束缚气泡在水下存活数十天之久，气泡在矿物表面的粘附在矿物浮选领域存在广泛应用，潜艇表面吸附的气泡可以有效降低潜艇在水下运动时的阻力等。然而，气泡在水下的行为受浮力的影响巨大，现存的方法很难实现水下气泡的定向、可控操作。

近年来，北京航空航天大学化学学院江雷院士团队的于存明博士研究小组与天津大学的曹墨源副研究员课题组密切合作，就水下气泡操控这一课题展开了细致的研究。其通过制备制备超疏水螺旋及水下超亲气形状梯度表面实现了水下气泡的定向及连续输运（J. Mater. Chem. A 2016, 4, 16865. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1705091.）；通过制备水下超疏水PMMA圆片阵列实现水下气泡的有效黏附（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702020.）；通过制备Slippery表面实现了气泡在浮力作用下的定向输运（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701605.）。很多实际的应用场景都会涉及到高压操作，比如深水或高压反应釜，由于高压的作用水会挤破气膜进入超疏水表面的微纳结构中，使其失去水下超亲气的特性。因此高压环境下的气泡操控仍是一大难题。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学江雷院士团队的于存明博士研究小组与天津大学的曹墨源副研究员课题组合作，通过激光切割、超疏水纳米粒子修饰、氟化液浸润等方法制备了具有形状梯度的Slippery表面，实现了高压环境下气泡的定向及连续输运。相关研究论文近期发表于ACS Nano期刊上，第一作者为北京航空航天大学化学学院本科生张春晖。

【图文导读】

图1 超润滑Slippery表面的设计及制备，气泡可以在其上实现自发、定向输运

超疏水纳米粒子修饰、氟化液浸润等方法制备了具有形状梯度的Slippery表面(图1A)，其可以实现高压环境下的气泡定向、连续输运(图1B)。研究人员探究了梯形顶角和气泡体积对气泡输运距离和输运速率的关系，发现梯形顶角越小、气泡体积越大，越有利于气泡的输运（图1C和图1D）。

图2 气泡在形状梯度Slippery表面上的输运机理

研究人员对于这些现象进行了详细的机理分析，发现气泡在梯形Slippery表面运动的驱动力来自气泡受限所产生的非对称拉普拉斯压力(图2)。在非对称拉普拉斯压力的驱动下，气泡也能够在S型、螺旋形等形状梯度Slippery表面上输运，并可实现反浮力输运。

图3 气泡的连续输运及微气泡收集

在实现单个气泡的自发、定向输运的基础上，研究人员通过注射器针头向Slippery表面顶端(Tip Side)连续注入空气实现了气泡的连续输运(图3 A和图3B)。受针头直径的限制，引入的单个气泡体积较小，会很快输运到非受限区域而停止运动。但当后续气泡“追赶”上前面的气泡时，它们会合并为一个更大体积的气泡，使其从非受限状态又重新转变为受限状态，继续向前输运。不断的重复“停止—合并—输运”这一过程，气泡最终可以输运到梯形Slippery底端(Root Side)。此外，研究人员通过设计制备雪花型Slippery表面，可以实现水中CO₂微气泡的连续输运和收集(图3 C和图3D)。

图4 高压下的气泡输运及析氢集气

将Slippery表面置于高压容器中，在约6.5 atm的高压下，其仍能粘附气泡并实现气泡的定向输运(图4Ai)。与之相比，形状梯度超疏水表面在相同的高压环境下不能粘附气泡(图 4Aii)。这是由于高压环境下，水会“挤进”超疏水表面的微结构中，导致其超疏水效果失效，失去了水下超亲气的特性。而Slippery表面实际起到气泡粘附作用的是其表面的氟化液，由于氟化液不可压缩，即使在高压环境下，具有形状梯度的Slippery表面仍能粘附气泡，实现气泡的定向输运。在验证高压环境该材料定向输运气泡能力的基础之上，研究小组通过设计制备星型Slippery电极，实现了高压水环境下析氢反应的氢气收集(图4 B和4C)。

【小结】

该研究为解决高压水环境下气泡可控操作这一难题提供了可行思路，通过将猪笼草的耐高压的Slippery表面与仙人掌的形状梯度结构相结合，利用气泡在形状梯度表面限域产生的非对称拉普拉斯压作为驱动力，实现了常压和高压水环境下气泡的自发、定向输运，有望应用于水下微气泡收集、电解集气等领域。

文献链接：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，特此感谢。

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