曹墨源Mater. Horiz.封面:仿生构筑长效水下气体开放输运通道及功能集成

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来源:高分子科学前沿

经过亿万年的进化,动物和植物演化出了神奇的流体操控机制,用于优化进食、降温和攻击等行为。大自然的启示为我们设计具有发、连续、智能和可集成的流体传输界面提供了无穷无尽的灵感。自然界中的生物主要是利用不对称因素来控制表面流体的传输,如润湿性差异、定向微结构和几何梯度。例如,蝶类的探针具有疏水的外表面和亲水的内管,这样可以确保吸食液体时不会发生渗漏。德克萨斯角蜥利用亲水取向的鳞片,可以以相对静止的姿势自动吸水。通过棘轮结构和锥形通道的融合,滨鸟可以通过长喙的往复开闭运动轻松饮水。因此,生物启发的流体传输优于单纯的开放通道和非对称结构,这是提高流体传输效率和控制流体行为更好的方法。水下气体控制在曝气、气体催化、水分离、防伪等方面展现出了潜在的应用价值。受猪笼草启发的疏水超润滑表面由于表面润滑剂的流动性,不溶性以及亲气性等有趣的特性已被证明可以用于水下气体操控,这种表面在气体操纵能力方面表现出更高的稳定性和耐久性(Adv. Funct. Mater, 2017, 27, 1701605)。

正封面亮点报道
通过融合猪笼草和蜂鸟喙口器的灵感,beat365中国在线体育曹墨源课题组报道一种用于水下气体操纵的新型通道,即超润滑/疏气(SLSO)多级开放通道。这种通道由亲气超润滑凹槽和超疏气边缘构成,用于气体的输运和截留。相比于传统的超润滑通道,SLSO通道具有更大的气体输运通量,最大通量可达3000 mL/h。此外,SLSO通道经过一年的水浸泡后仍能保持气体输运能力,耐久性得到了很大的提高(同状态下超疏水通道仅能稳定27天)。利用3D打印技术,研究者能够快速地设计出具有不同形状(如U型、Y型、波浪型、螺旋型和组合结构)的SLSO通道,以实现多功能的气体操纵。除此之外,作者还提出了一种气液交换微芯片的构想,其中包含连续SLSO折叠通道,用于二氧化碳物理吸收过程。这种持久的气体传输通道将为水下气体参与的物理化学过程提供助力,并提升我们关于气体操控界面的认识。本文第一作者为学院博士生王新生,通讯作者为曹墨源研究员,本文同时入围Materials Horizons杂志10周年庆典专刊,并做正封面亮点报道。(Materials Horizons, 2023, 10, 3351 - 3359)

图1 SLSO分层气体通道的设计与制备。a) SLSO分层气体通道的仿生原型--结合了猪笼草启发的超润滑表面和蜂鸟口器中的锁水结构。b) 基于3D打印技术的SLSO分层气体通道的制备过程,插图分别代表了相应步骤中水下气泡在表面的接触角。c) SLSO分层气体通道中的气体扩散过程,i) 气体注入过程的俯视图,比例尺为1 cm,ii) 4ul气泡扩散过程的侧视图,比例尺为2 mm。d) 疏水通道和SLSO分层通道浸入水中的耐久性测试,以每天每小时10 ml的速度向通道中注入气体。超疏水通道在27天后失效,而SLSO分层通道在365天后仍能输运气体。e) 超疏水通道和SLSO分层通道耐久性差异的机理是超疏水通道中的气体膜容易失效,导致气体通道堵塞。相比之下,SLSO分层通道中的润滑剂层不可压缩且稳定。f) SLSO分层通道和超疏水通道在2个大气压的压力处理2小时后的气体传输过程比较,比例尺为1 cm。

图2 SLSO分层气体通道中的气体传输。a) 气体在通道中扩散过程的机理分析,包括气体在通道中的铺展过程和在上表面的逃逸过程。b) 气体在低于和高于临界气体速度的 1.73 mm宽SLSO分层通道中的传输过程,比例尺 1 cm。当边缘表面为超亲水时,润滑剂不会在上表面扩散。相比之下,当上表面未改性时,润滑剂倾向于在边缘表面扩散,从而形成亲气边缘。d) COMSOL Multiphysics模拟气泡在SLSO分层气道中扩散的正视图。上表面的水接触角分别为10°、60°、110°和160°。e) 随着通道宽度的增加,临界注气通量呈先增大后减小的趋势。f)随着通道深度的增加,极限注气通量呈先增加后不变的趋势,这与气体在通道中的动态扩散深度有关。g) 在准静态下,气体在通道中的扩散深度与通道宽度成反比。h) 通过COMSOL Multiphysics仿真得到的不同上表面水接触角下气泡在通道中的扩散速度。结果表明,边缘表面接触角越大,气泡扩散速度越慢。

图3 多种 SLSO分层气体通道中的气体输运。a)U形,b)螺旋形,c)Y形,d)X形SLSO分层气体通道中的气体输运过程。e)上下镂空SLSO分层气体通道中的气体输运过程。f)气体在折叠波浪形SLSO分层气体通道中的传输过程,最终表面气体比可达80%。g)拼接SLSO分层气体通道的组装示意图。润滑剂可在拼接处自发形成液桥,从而形成连续的超润滑气体输运通道。h) 形,i) 形和j)O形的组装SLSO通道。比例尺 1 cm。

图4 基于SLSO通道的微芯片用于二氧化碳吸收。a) 芯片上的二氧化碳捕集过程。胺溶液在上侧循环,二氧化碳/空气混合物在下侧连续注入,二氧化碳在气液界面上被胺溶液连续吸收。(b)二氧化碳/空气混合物在 50% MDEA溶液的SLSO分层气体通道中的吸收过程,比例尺 1 cm。c) 浸入50% MDEA溶液的SLSO分层通道和超疏水通道中二氧化碳/空气混合物柱体积的减小速度,可以看出没有明显差异。d) 浸入50% MDEA溶液的超润滑表面和PDMS表面的二氧化碳气泡的吸收速度。e) 二氧化碳吸收装置充满CO2气体的过程。比例尺为1 cm。

原文链接:https://doi.org/10.1039/d3mh00898c


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