超亲气纳米 / 微结构表面超快捕获自由上升气泡的奥秘与应用

在气泡捕获领域，为探究微纹理对初始捕获的作用，上海交通大学等机构研究人员开展超亲气表面捕获自由上升气泡的研究。他们发现微锥阵列可实现约 1 ms 的超快捕获，且确定临界压力标准，该成果为多领域提供气泡控制策略。

　　在广袤的自然界与众多工业场景中，气泡的行为扮演着关键角色。例如，潜水昆虫通过捕获气泡进行呼吸，水生植物借助气泡实现气体交换；在海洋开发中，捕获海洋中的甲烷气泡对能源获取意义重大；在工业生产里，利用气泡实现减阻能够提高效率、降低能耗；在污水处理过程中，气泡捕获技术有助于去除杂质，净化水体 。然而，在气泡捕获的研究中，尽管纳米结构在超亲气表面与自由上升气泡碰撞过程中的作用已较为明晰，但微纹理在促进气泡初始捕获（甚至在接触之前）方面的基本贡献，却一直未被充分理解。

为了解开这一谜团，上海交通大学、香港城市大学、香港理工大学等机构的研究人员携手开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的突破。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。通过 3D 打印技术制备微锥结构表面，并使用商业喷雾对其进行纳米粒子修饰；借助激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对表面形貌进行表征；利用高速摄像机观测气泡捕获过程；采用粒子图像测速技术（PIV）分析流场结构；运用基于光滑粒子流体动力学（SPH）的数值模拟研究液膜排水速度分布。

研究结果如下：

1. 超快气泡捕获：研究人员构建了具有百微米级微锥结构且通过纳米粒子涂层增强亲气性的模型表面（MA 表面）。实验结果令人瞩目，从表面下方 2 cm 释放的气泡与 MA 表面首次接触时，能在 1.5 ms 内迅速被捕获，相较于仅用纳米粒子修饰的平坦疏水（FH）表面，捕获时间大幅缩短了 47 倍以上。在较宽的无量纲气泡尺寸（D0/L）范围（1.6 - 3.5）内，MA 表面均能稳定实现超快捕获，捕获时间的变异系数仅为 13.7% 。这一成果表明，简单的百微米级微锥结构配合纳米粒子，就能确保高效的气泡捕获。
2. 特征单元内水膜排水增强：利用共聚焦显微镜，研究人员清晰观察到单个特征单元内气液界面（LGI）和三相接触线（TPL）的演化过程。在气泡靠近时，微结构内的气体层在 TPL 的约束下发生显著变形，气液界面曲率增大，使得液膜受到更大的压力，加速变薄。研究人员建立的气液界面动力学模型显示，MA 表面气液界面的曲率在膜边界附近比 FH 表面增加了四倍，液膜变薄速率在气泡底部周边达到自由界面的 1.6 倍 。此外，调整气泡释放位置可进一步提高捕获效率，在靠近 TPL 的特定位置，液膜能迅速减薄至临界厚度（约 100 nm）并破裂，促进气泡与气体层融合。
3. 气泡捕获的阈值标准：通过 PIV 技术对微锥阵列表面附近流场结构的研究发现，较大的锥高半径比（b/a）能增强流场，加速液膜排水。从能量转换的角度分析，较大的b/a比值可减少气泡变形，使更多动能转化为气体层表面能，从而加速液膜变薄。研究人员还确定了气体层稳定性的临界压力阈值（ΔPcr），并建立了保守压力标准（Pˉm≤ΔPcr）。在满足该标准的参数空间内，TPL 的钉扎作用可稳定气体层，实现快速气泡捕获；而超出该标准，气体层可能不稳定，阻碍气泡捕获。
4. 液体流动中的气泡收集：在水流环境中，研究人员对优化后的 MA 表面进行了气泡收集实验。结果显示，在不同流速下，MA 表面展现出超高的气体收集效率。随着雷诺数（Re）从 2083 增加到 3750，MA 表面的收集体积比始终保持在 100 - 96.5% ，而 FH 表面仅在 76.5 - 39.8% 之间波动。当 Re 增加到 5417 时，MA 表面的捕获率仍为 50% ，是 FH 表面的 6.25 倍。此外，MA 表面的气体收集量与时间呈近乎完美的线性关系，表明其能实现长距离、无损失的气体传输。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了超亲气纳米 / 微结构表面实现超快自由上升气泡捕获的机制。微结构在加速液膜排水方面发挥了重要作用，且在较宽的气泡接近速度范围内均有效。确定的临界压力标准对于保证气体层稳定性和捕获效率至关重要。此研究成果为亲气材料的设计提供了新的视角，有望在微流体、海底甲烷采集、减阻等多个领域得到广泛应用。同时，研究人员也指出，未来在应对剪切流扰动和气体溶解问题，以及在高雷诺数下稳定气体层和三相接触线方面，仍需进一步探索和研究，以拓展该技术的应用范围。