北航江雷院士&刘克松等人AFM: 创新设计单层、超好氧性的滤网用于水下气泡的连续收集和运输

【背景介绍】

众所周知，在水性介质中，气泡是几乎无处不在的且无法避免，对于工业生产和日常生活具有各种积极的和消极的影响。其中，水下气泡在催化反应、环境修复和生物医学等领域具有广阔的应用前景。然而，水下气泡也可能会导致严重的有害影响。例如，甲烷（CH₄）在水生系统（海洋、湖泊等）中扩散到大气中的潜力是二氧化碳的25倍，既对全球变暖造成了影响，又浪费了本可以用作燃料和工业产品原料的资源。因此，对水下气泡进行控制，从而实现气体的收集和输送具有重要意义。

目前，许多研究都是集中在对水下气泡的定向操纵上。为了实现材料表面的梯度润湿性，研究人员开发了一系列梯度几何形状（棘轮、锥、梯形、圆柱体）以及梯度表面自由能，用于水下气泡的输运。此外，另外，也制造了具有可逆的润湿性转换的表面，以通过在水下的超好氧性和厌氧性间进行选择性的转换来捕获或排斥水中的气泡。近年来，研究人员也制备了纸基注入润滑剂的光滑（LIS）表面，用低粘度硅油润滑以控制水性环境中的气泡。然而，上述这些研究主要集中在微气泡的尺寸控制和在开放表面上气泡的定向输送。因此，开发出可实现水下气泡的连续收集和运输策略仍然极具挑战性。

【成果简介】

基于上述问题，北京航空航天大学的刘克松教授（通讯作者）、Dongliang Tian（通讯作者）和江雷院士等人受到水蜘蛛气体存储机制的启发，通过设计一个由石英管组成的单层水下超好氧滤网（USM），展示了一种连续收集和运输水下气泡的策略。其中，注射泵提供的气泡首先穿过网孔，然后聚集在石英管中形成气柱。当气柱达到最大存储高度/压力时，就会发生塌陷。在连续不断的供应气泡下，压力的变化就成为一个循环过程，其作用类似于泵，在装有不对称U形管的USM设备中将气泡连续的从水相输送到气相中。这种新颖的气体收集和运输系统为开发用于管道、传感器、气体收集和环境保护的新技术提供了新思路。该研究成果以题为“An Innovative Design by Single-Layer Superaerophobic Mesh: Continuous Underwater Bubble Antibuoyancy Collection and Transportation”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、对制备的筛网的形貌和润湿性进行表征
（a）原始网格的SEM图和水下气泡的接触角照片；

（b）氨碱腐蚀后网格的SEM图和水下气泡的接触角照片；

（c）正十四烷基硫醇改性的原始网格的SEM图和水下气泡的接触角照片；

（d）正十四烷基硫醇改性的氨碱性腐蚀后网格的SEM图和水下气泡的接触角照片。

图二、防浮气体存储装置示意图以及对气柱最大存储高度和石英管中临界穿透压力的影响
（a）用于气体收集的浮力气体储存装置的示意性过程；

（b）气体在水下的润湿性对最大存储高度和最大压力的影响；

（c）USM孔径对气柱的最大存储高度和压力的影响；

（d）压力变化的循环过程。

图三、储气装置的机理
（a）气泡和网格的不同接触状态显示在（a₁）和（a₂）中；

（b）当注射泵的力（F_s）达到临界值时，气泡克服了浮力（F_b）和静水力（F_h），逐渐变形并渗透到网孔的水流中；

（c）当初始气泡通过网孔时，水网孔处于开放状态，且在网孔中会形成气体通道；

（d）在连续供应气体的情况下，气柱的高度（h）将逐渐增加，而F_b将同时增加。

图四、气体存储和运输的设备的操作演示
（a）储存和运输系统的示意图；

（b）气体储存和运输过程的实验室演示；

（c）网格和水面之间的距离（h₁）与右侧水柱高度（h₂）的线性关系；

（d）h₂与气体收集/运输周期之间的关系。

【总结】

综上所述，本文中演示了水下气泡的连续收集和运输策略。无论空气/水界面如何，都可以实现连续的气泡传输。该装置收集气泡并密封，是由单层USM和石英管组装而成。此外，为了实现连续的气体收集和运输，将不对称U形石英管装置与USM相结合。通过这种设计，气泡在底部被连续收集并输送到水的上方，从而实现了从水相到气相的连续输送而不会泄漏到大气中。总之，该研究为水下气泡收集和运输系统的设计提供了新思路，对于捕获对大气或人体健康有害的气体或许特别有用。

文献链接：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编译。

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