AFM: 超润滑Slippery轨道用于水下气体操控

1. 引言

水下气体在物体界面的特殊浸润行为不仅与水生生物的生存息息相关，同样为材料科学研究、化学工艺工程等领域的发展提供大量设计灵感。例如，水蜘蛛可以依靠具有超疏水性能的腹部束缚气泡在水下存活多达数十天之久，在矿石浮选、工业曝气、以及碳捕集等多个方向都依赖于水下气体与固体的相互作用。然而，气泡在水下的行为受浮力的影响较大并且容易形变，现存的方法很难实现气泡在开放表面上的定向、可控输运。因此，研究水下气体在固体表面的浸润行为，实现水下气泡在界面上的快速操控，在填补理论空白、进行应用探索的双重意义。

2. 成果简介

自然界中的猪笼草瓶体口缘部分表面附着有一层由雨水或花蜜形成的润滑层，称为“Slippery surface”即“超润滑界面”，使昆虫可以非常容易的滑落到笼内。受此启发，天津大学的曹墨源副研究员与北京航空航天大学的江雷院士课题组于存明博士合作，通过将疏水性超润滑界面应用于水下体系，设计实现了具有疏水、亲气的“Slippery”气体轨道。由于润滑层的存在，气体可以在浮力作用下在超润滑界面上自由滑动。通过对于气体导轨的性质、宽度等参数进行调节，实现了一系列水下气泡的可控操控。此外，将“Slippery”表面与H2微气泡发生装置相结合，可以实现生成氢气的快速捕获和定向收集。

3.研究亮点

此工作首次证明了疏水性Slippery界面在水下环境中，与气泡的独特相互作用。在仅仅5°的倾斜角下，气泡可以以浮力为驱动力在Slippery界面上顺利滑动。同时通过Slippery轨道的参数进行设计，可以实现气泡的定向输运、定点释放、连续可控分配、点对点直接操控，以及微小气泡收集+输运等过程。将在水下气体相关应用领域发挥重要作用。

4. 图文解读

图1. “Slippery”表面的制备与表征

(a)水滴及气泡在“Slippery”表面的接触角，该表面在空气中疏水(104.6° ± 1.1°)，水下亲气(87.1° ± 2.9°)；（b）SEM表明超疏水改性的滤纸表面被超疏水纳米粒子所包覆，其可以有效地吸附硅油、生成“Slippery”表面；（c, d）“Slippery”表面在空气中对水滴以及在水中对气泡的粘附力。

图2. “Slippery”表面的倾斜角度及宽度（W）对于气泡滑动速率的影响

（a）气泡（20 μL）在不同倾斜角的“Slippery”表面（W = 2 mm）滑动情况的高速录像截图；（b）“Slippery”表面的倾角及宽度对气泡滑动影响的机理分析；（c, d）气泡（20 μL）在不同倾斜角的“Slippery”表面（W = 2 mm）的滑动速率的统计。

图3. 气泡在复杂“Slippery”图形表面的滑动

（a, b）气泡可以实现从“Slippery”三角形表面的尖部向根部的滑动，反过程则不能顺利进行；（c, d）气泡可以实现在S型及扭曲“Slippery”表面的滑动。

图4. 气泡在“Slippery”表面的连续及选择性输运

（a）气泡在“Slippery”表面的连续输运；（b）气泡在叉状图形表面的选择性输运。

图5. “Slippery”表面对气泡的可控粘附及无损耗转移

（a, b）“Slippery”三角形表面的不同位置对气泡的不同粘附性能及机理分析；（c）“Slippery”表面对微小气泡的无损耗转移。

图6. “Slippery”表面用于生成氢气的连续收集及定向输运

（a）“Slippery”表面用于氢气-收集-输运的示意图；（b）“Slippery”表面用于生成氢气的连续收集及定向输运的光学照片。

5. 总结

该研究从大自然中获取灵感，通过模仿猪笼草的“Slippery”表面，制备了空气中疏水、水下亲气的“Slippery”表面，揭示了“Slippery”表面与水下气体相互作用的机制，实现了水下气泡的可控输运，其有望在微流控、矿物浮选、污水处理、电解水等领域得到广泛应用。

文献链接：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。

本文由论文作者供稿，材料牛编辑整理。

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