【期刊】Trans Tianjin Univ | 超润滑Slippery形状梯度表面用于苛刻环境中气泡的智能操控研究
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● 文章信息：
Guoliang Liu, Chunhui Zhang, Mengfei Liu, Ziwei Guo, Xinsheng Wang, Cunming Yu, Moyuan Cao. Smart Manipulation of Gas Bubbles in Harsh Environments via a Fluorinert-Infused Shape-Gradient Slippery Surface. Trans Tianjin Univ, 2020: https://doi.org/10.1007/s12209-020-00263-7
● 文章链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-020-00263-7
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01
本文亮点
通过蜡烛灰法（Candle soot）、激光刻蚀、氟化液涂敷等方法，制备了超润滑Slippery形状梯度表面。
得益于超润滑层（氟化液）低表面张力、难压缩、以及化学惰性等特点，FSSS在高压、低表面张力、强酸、强碱、高盐等苛刻环境中展现出了优异的气泡操控性能。此外，FSSS功能表面的形状梯度可以诱导气泡发生形变、前后两端产生Laplace压力差，从而推动气泡从FSSS的尖端向其根部自发、定向运动。
在实验中，还研究了FSSS顶角及溶液表面张力对气泡行为的影响。
实验发现，顶角越大，气泡的初始速率越大，然而由于阻力及受限距离的影响，气泡的输运距离反而越短。随着溶液表面张力的减小，气泡的输运速度和输运距离都随之下降；FSSS在溶液张力大于28.5±0.1 mN/m时，都能保持气泡输运性能。
由于表面张力为28.5±0.1 mN/m已经低于大部分有机溶剂，因此，FSSS可以满足在大部分低表面能环境下的气泡操控。
例如，FSSS可以实现在甲酰胺（〜57.4 mN/m），乙二醇（〜48.4 mN/m）和N,N-二甲基甲酰胺（〜35.8 mN/m）环境下，气泡的自发、定向输运。
本研究发现FSSS还可以实现在高压环境（〜6.8 atm）、强酸（1M H2SO4）、强碱（1M NaOH）、高盐（1M NaCl）环境下气泡的自发及定向输运。除了单气泡的自发及定向运输外，作者还实现了气泡的连续、以及在S型FSSS上的自发及定向输运。
此外，双梯形FSSS还成功实现了氢气泡和氧气泡的水下微反应。
相信本策略可为复杂环境（例如加压和低表面张力的环境）中的气泡操纵提供可靠的方法，并进一步激发人们开发新颖的材料，以在各种涉及气体的过程中实现潜在的应用，例如发酵，表面活性剂辅助的矿物浮选，天然气水合物勘探等。
02
内容简介
实际应用以及基础研究都会涉及低表面张力、高压、强酸、强碱、高盐等恶劣环境下的气泡操控。目前，几乎没有通用的有效方法可以实现气泡在这些苛刻环境下的智能操控。
在本文中，我们成功地发展出了一种超润滑Slippery形状梯度表面（fluorinert-infused shape-gradient Slippery surface, FSSS），其可以有效地调控气泡在高压、低表面张力、强酸、强碱、高盐等苛刻应用环境中的行为。
通过实验及理论分析可知，FSSS可以实现气泡在苛刻环境下的智能操控的主要原因是填充FSSS表面的氟化液较难压缩、可以有效地承受高压环境，同时氟化液具有化学惰性、可以耐强酸、强碱、高盐等环境。
与此同时，FSSS表面具有形状梯度，其可以诱导气泡发生形变、前后两端产生Laplace压力差，实现气泡在FSSS表面的自发及定向运动。
同时，我们还探究了FSSS顶角及溶液表面张力对气泡输运行为的影响。实验发现，FSSS的顶角越大，气泡输运的初始速率越大；然而由于阻力及受限距离的影响，气泡的输运距离反而越短。FSSS的输运能力随溶液表面张力的降低而降低，其仍然可以在表面张力大于28.5±0.1 mN/m的溶液中保持气泡输运能力。
此外，FSSS还可以实现在高压环境（〜6.8 atm）、强酸（1M H2SO4）、强碱（1M NaOH）、高盐（1M NaCl）环境下气泡的自发及定向输运。
本研究项目可以提高人们对界面气泡行为的理解，促进苛刻环境下气泡智能操控研究的发展，有望在矿物浮选、发酵、可燃冰开采、石油化工等领域产生重大的经济价值。
03
图文导读
图1 (a)FSSS制造过程示意。(b) 超疏水表面的SEM表征。(c-d)分别为超疏水表面和超润滑slippery表面的激光共焦扫描显微图像。(e–g)分别为超润滑slippery表面的水滴触角、气泡接触角和气泡粘附力
图2 (a) FSSS上气泡自发和定向输运时的俯视图（比例尺：1 cm）。(b)气泡在FSSS上定向输运的图解分析。(c)气泡输运特性（即输运速度和距离）随顶角的变化。(d)超润滑slippery表面液体（θL）和气泡（θB）接触角示意图。(e)θL、θB和表面张力随PFOA浓度的变化。(f) PFOA浓度对输运距离和速度的影响
图3 (a)甲酰胺、(b)乙二醇和(c)二甲基甲酰胺环境中FSSS表面气泡的定向输运。(d) FSSS上气泡的连续、定向输运。(e)S型FSSS上气泡的定向输运。(f)在低表面张力环境下双梯形FSSS上合并的H2和O2气泡爆炸（比例尺：1cm）
图4 在各种苛刻环境下（(a)高压、(b)高酸性、(c)高碱度和(d)高盐度下），气泡在FSSS表面的定向输送（比例尺：1 cm）
通讯作者
于存明
通讯作者
曹墨源
The scope of Transactions of Tianjin University is intentionally broad that encompasses the multidisciplinary research of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science. It will include the topics such as Solar energy and photovoltaics, Hydrogen production and storage, Fuel cells, CO₂ conversion and storage, Energy storage and conversion materials, Batteries and supercapacitors, Biofuels, New strategies for the clean utilization of coal andoil, etc.
Readership will include energy researchers, chemists, materials scientists, engineers, environmental and analytical scientists from academia and industry.
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