Droplet | 基于仿生设计的气泡自主分裂策略

文章导读

在环境、农业、化学和生物工程等领域，气泡无处不在，并对物质传输起着重要的媒介作用。将大气泡分裂成小气泡，可以获得很多优势，例如更大的比表面积，更高的传质效率等。气泡分裂的过程，需要克服表面能的影响，而现有的气泡分裂方法，往往都需要复杂的装置并消耗大量能量。

自然界的很多生物进入水中时，可以利用微纳米结构在身体表面捕获一层空气气甲。如图1所示，企鹅在快速游动时，可以利用流体剪切将气甲里的空气以微小气泡的形式排出，形成气泡拖尾并降低游动时的流体阻力。香港城市大学姚希教授团队受该现象的启发，结合课题组前期在仿生界面材料的相关工作，提出了基于超疏水表面的气泡自主分裂策略。

该成果以Bio-inspired spontaneous splitting of underwater bubbles along a superhydrophobic open pathway without perturbation为题发表在《Droplet》期刊。

图 1企鹅尾部的气泡拖尾现象对此设计的启发

研究者首先利用气泡模板法制备了具有微纳米分级结构的超疏水涂层（图2a），该超疏水涂层在水中具有超亲气性。当涂层表面浸没水下时，微纳米结构之间会贮存空气从而形成一层连续的气甲，这种连续且稳定存在的气甲提供了开放的通路，可以用于气泡的长距离传输（图2）。

图 2 a) 制备的超疏水涂层的微观结构；b) 超疏水涂层捕获气甲的示意图；c) 利用连续的气甲在平面内实现气泡输运

由于气泡的排水作用，气泡实际上具有浮力势能。研究者提出用该浮力势能，可以克服气泡的表面能从而使气泡自发分裂。因此，他们设计了一个简单的气泡自发分裂器，该分裂器由表面涂覆超疏水涂层的圆盘和一个连接细杆组成。圆盘可以捕获水中的气泡，细杆则引导气体的传输路径，使捕获的气泡可以通过细杆表面的气甲无扰动地传输到杆顶，再以小气泡的形式从杆顶脱离（图3）。通过调控细杆的尺寸和气泡传输的高度差，可以精确地控制产生的小气泡的尺寸。

图 3 气泡自主分裂的设计思路和机理（H和r分别表示细杆的高度和半径）

基于该策略，气泡可以利用浮力势能实现自主分裂，该装置可集成于生物反应器中，为提高水下气泡传质效率提供了一种新途径（图4）。这种自发气泡分裂策略有很大的应用潜力，可用于涉及气泡反应、能量收集、传热和传质等的许多领域。

图 4 将此策略用于提高气体传质进而促进微生物生长