操控气泡新思路——空气中利用超亲水基底对气泡的操控及输运

气泡是一种常见的界面流体现象,在日常生活和生产方面发挥着重要的作用,比如七彩肥皂泡深受孩子们喜欢,同时气泡也可作为制备多孔材料的模版等。一般来说,气相包含于液相的气泡体系,根据气泡表面液膜的厚度,可以分为水下气泡和空气中气泡两种体系。目前,关于气泡浸润性的研究主要局限于水下气泡体系,也就是把气泡作为单一的气相体系来进行研究,现有的研究缺乏对空气中的气泡体系的浸润行为的研究。不同于水下气泡体系,空气中气泡由一层超薄的球型液膜包裹内部气体而形成。内部气体和表面液膜都具有流动性,这使得空气中气泡体系的动态浸润行为更加动态和复杂。空气中气泡体系作为气泡体系的重要一部分,在许多自然和工业过程中广泛涉及,因此理解和调控空气中气泡的动态浸润行为非常重要。

北京航空航天大学化学学院刘欢教授课题组详细研究了空气中气泡和液体的合并的动态行为,揭示了空气中气泡在基底的两种典型状态,即空气中疏气泡和亲气泡状态,利用超亲水表面在空气中实现了对气泡的操控及输运。这里,空气中气泡与液体表面合并过程中有两种典型的浸润状态:疏气泡状态,气泡静立在液体表面上,呈现出完美的球形而没有与液体合并; 亲气泡状态,气泡与液体表面合并,以准半球的形状而稳定在液体表面上。这里疏气泡态是一种高能状态,当气泡以疏气泡态在液体表面时,气泡/液体界面之间会形成一层薄薄的气垫,气垫产生的能量势垒阻止了气泡与液体表面自发合并。这种疏气泡状态是一种亚稳态,通过施加外力使气垫消失来克服能量阻碍,气泡将与液体表面合并,并最终稳定在亲气泡状态;而如果保持气垫稳定存在,疏气泡状态尽管处于高能状态,但仍会长时间保持稳定。基于对空气中气泡体系的动态浸润行为的理解和控制,利用超亲水基底,实现了对空气中气泡的有效操控:具有微观毛状纹理的超亲水表面对气泡具有强大的疏气泡性,而半球形气泡能够在超亲水锥形纤维上在空气中定向传输。这一研究将传统的水下体系对气泡的操控拓展到了空气中,也提出了一种新的液体薄膜的概念,这或许可以为表面和界面化学开辟新的视角。

相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201900487)上。

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