仿生气泡生成系统

许多小动物如瓢虫,叶甲虫和紫色蜗牛都是依靠天然泡沫进行重要的水下活动。在自然界中,生物表面可以是天然疏水性的,例如甲虫的腿具有多级结构,可以截留空气,又或者是天然亲水性的—蜗牛的粘液,在粘液中颗粒—气泡的复合物由于浮力的作用从表面逸出,并聚集在空气—水界面上。这些亲水- 疏水的相互作用和毛细管作用力是一种强有力的维持固—液和气—液界面运动和稳定的工具。因此,这也吸引了大批研究者们志在找到人工的方法去重现它们。

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马普学会胶体与界面研究所界面科学的博士Bat-El Pinchasik与他的同事对这个问题也表现出了极大的兴趣。他们报导了有着与生物泡沫系统中存在的物理现象相似的合成性Janus粒子的驱动作用。在他们的工作中,先呈现了一种简单、通用和灵活的合成Janus粒子的方法,此方法重点在于通过水基反应或从水悬浮液中吸附颗粒对粒子进行修饰改性。在这项研究中,气泡被用于去驱动和控制水介质中Janus粒子的分布位置。 Janus粒子如二氧化硅 – 银(直径为4.8毫米)和聚苯乙烯 – 银(PS-Ag)(直径10毫米)都可以通过石蜡膜包埋合成。合成的Janus粒子的一部分被带有催化活性的银纳米颗粒覆盖,再分散在水中,并放置在玻璃基板上。有活性的Ag位点被用于催化过氧化氢分解为水和氧气。在这种情况下,氧的气泡在粒子的一侧形成,并促进其驱动。稳定的气泡-颗粒复合物可以通过调整表面亲水- 疏水相互作用被操控。粒子在二维和三维的行为之间的过渡的出现也可以看做是改变了基板的疏水性。这意味着我们找到了一种在动态界面的润湿性上控制界面和粒子特性的作用力。

这种气泡发生系统有一些潜在的应用,例如在流体装置内对固液界面上粒子的操控和引导,表面活性剂的存在下的粒子-气泡复合物的生成以及水的净化。通过调节界面粘合力去调整气泡的成核和粒子-气泡复合物的驱动作用也将是非常有趣的。Janus粒子的合成方法可以潜在地应用于其它粒子的几何构型,也可以对颗粒和胶囊在生物薄膜上的嵌入和图案化起到互补作用,其中图案化的程度可以通过吸附在这种膜上的金纳米颗粒来控制。

原文:Bioinspired bubble-generated system

翻译:郑永龙