北航于存明副教授团队《Nano Letters》：仿生猪笼草二维结构用于水下气泡的定向、长距离输运

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气泡是气体在液体环境存在的一种常见形式，在科学研究和工业生产中具有着重要作用，如电解水、药物输送、沸腾传热、渔业生产、矿物浮选等。然而，水下气泡的行为受浮力的控制，即气泡总是向上运动，因此气泡的智能操控变得非常困难。自然界中的猪笼草可以利用其口缘区表面独特的结构实现水膜的连续、定向输运（Chen H, Zhang P, Zhang L, et al. Nature, 2016, 532, 85-89.）。受此启发，于存明副教授团队通过在超疏水表面刻蚀非对称的亲水阵列，发展了一种猪笼草仿生二维结构。在水下，超疏水表面可以形成一层稳定、连续的气膜，气膜的存在可以牢牢地黏附气泡；刻蚀区域对水滴具有较大的粘附力，可以在水下形成一道道“水篱笆”。这种气膜/水痕的图案化表面可以产生非对称的阻力，实现气泡在猪笼草仿生二维结构表面的定向、长距离连续铺展。

图1.猪笼草仿生二维结构的仿生思路及结构表征。a）猪笼草仿生结构可以实现水滴、油滴、以及气泡的定向及长距离输运；b）猪笼草仿生二维结构的光学照片；c）超疏水区域的扫描电镜（SEM）及激光共聚焦显微镜图像（CLSM）；d）激光刻蚀区域的SEM及CLSM图像。

研究团队系统地研究了超疏水轨道宽度（w）、亲水区域间距（d）、以及亲水区域的倾角（α）对气泡输运过程的影响，并通过COMSOL Multiphysics对气泡在猪笼草仿生二维结构表面的输运过程进行模拟，实验结果与理论模拟结果一致，揭示了猪笼草仿生二维结构表面对气泡铺展产生非对称阻力及其定向运动的内在机理。

图2.气泡定向输运的影响因素。a）猪笼草仿生二维结构单元的设计参数，超疏水轨道的宽度（w），两个亲水区域间距（d），亲水区域倾角(α); b）亲水区域间距及倾角对气泡铺展方向性的影响；c）气泡在猪笼草仿生二维结构表面铺展；d）COMSOL Multiphysics对气泡铺展的理论模拟。

此外，课题组还展示了一种具有猪笼草仿生二维结构的柔性电极，实现了H₂气泡的定向、连续输送。该研究为实现液体环境中气泡的智能操控提供了一种崭新的思路，为揭示自然界中各种单向浸润现象以及解决人类社会生产过程中的流体问题提供了独特的视角。

图3.具有猪笼草仿生二维结构的柔性电极。a）柔性电极示意图及光学照片；b）气泡在柔性电极表面的输运；c, d）柔性电极用于电解水过程中氢气生成-输运-收集的示意图及光学照片。

该研究工作《Bioinspired Two-Dimensional Structure with Asymmetric Wettability Barriers for Unidirectional and Long-Distance Gas Bubble Delivery Underwater》发表在Nano Letters（doi:10.1021/acs.nanolett.0c04814.）。论文的第一作者是北航2020届本科毕业生肖潇，目前在加州大学洛杉矶分校生物工程系攻读博士学位，通讯作者为北航化学学院的于存明副教授，共同通讯为北理工的姜凤敏博士。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04814

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