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  氣泡是氣體在液體環(huán)境存在的一種常見(jiàn)形式，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有著重要作用，如電解水、藥物輸送、沸騰傳熱、漁業(yè)生產(chǎn)、礦物浮選等。然而，水下氣泡的行為受浮力的控制，即氣泡總是向上運(yùn)動(dòng)，因此氣泡的智能操控變得非常困難。自然界中的豬籠草可以利用其口緣區(qū)表面獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水膜的連續(xù)、定向輸運(yùn)（Chen H, Zhang P, Zhang L, et al. Nature, 2016, 532, 85-89.）。受此啟發(fā)，于存明副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在超疏水表面刻蝕非對(duì)稱(chēng)的親水陣列，發(fā)展了一種豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)。在水下，超疏水表面可以形成一層穩(wěn)定、連續(xù)的氣膜，氣膜的存在可以牢牢地黏附氣泡；刻蝕區(qū)域?qū)λ尉哂休^大的粘附力，可以在水下形成一道道“水籬笆”。這種氣膜/水痕的圖案化表面可以產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的阻力，實(shí)現(xiàn)氣泡在豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)表面的定向、長(zhǎng)距離連續(xù)鋪展。

圖1.豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)的仿生思路及結(jié)構(gòu)表征。a）豬籠草仿生結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)水滴、油滴、以及氣泡的定向及長(zhǎng)距離輸運(yùn)；b）豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片；c）超疏水區(qū)域的掃描電鏡（SEM）及激光共聚焦顯微鏡圖像（CLSM）；d）激光刻蝕區(qū)域的SEM及CLSM圖像。

  研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了超疏水軌道寬度（w）、親水區(qū)域間距（d）、以及親水區(qū)域的傾角（α）對(duì)氣泡輸運(yùn)過(guò)程的影響，并通過(guò)COMSOL Multiphysics對(duì)氣泡在豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)表面的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果一致，揭示了豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)表面對(duì)氣泡鋪展產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)阻力及其定向運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理。

圖2.氣泡定向輸運(yùn)的影響因素。a）豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)參數(shù)，超疏水軌道的寬度（w），兩個(gè)親水區(qū)域間距（d），親水區(qū)域傾角(α); b）親水區(qū)域間距及傾角對(duì)氣泡鋪展方向性的影響；c）氣泡在豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)表面鋪展；d）COMSOL Multiphysics對(duì)氣泡鋪展的理論模擬。

  此外，課題組還展示了一種具有豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)的柔性電極，實(shí)現(xiàn)了H₂氣泡的定向、連續(xù)輸送。該研究為實(shí)現(xiàn)液體環(huán)境中氣泡的智能操控提供了一種嶄新的思路，為揭示自然界中各種單向浸潤(rùn)現(xiàn)象以及解決人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中的流體問(wèn)題提供了獨(dú)特的視角。

圖3.具有豬籠草仿生二維結(jié)構(gòu)的柔性電極。a）柔性電極示意圖及光學(xué)照片；b）氣泡在柔性電極表面的輸運(yùn)；c, d）柔性電極用于電解水過(guò)程中氫氣生成-輸運(yùn)-收集的示意圖及光學(xué)照片。

  該研究工作《Bioinspired Two-Dimensional Structure with Asymmetric Wettability Barriers for Unidirectional and Long-Distance Gas Bubble Delivery Underwater》發(fā)表在Nano Letters（doi:10.1021/acs.nanolett.0c04814.）。論文的第一作者是北航2020屆本科畢業(yè)生肖瀟，目前在加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系攻讀博士學(xué)位，通訊作者為北航化學(xué)學(xué)院的于存明副教授，共同通訊為北理工的姜鳳敏博士。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04814