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  氣泡是氣體在液體環(huán)境存在的一種常見形式，在科學研究和工業(yè)生產中具有著重要作用，如電解水、藥物輸送、沸騰傳熱、漁業(yè)生產、礦物浮選等。然而，水下氣泡的行為受浮力的控制，即氣泡總是向上運動，因此氣泡的智能操控變得非常困難。自然界中的豬籠草可以利用其口緣區(qū)表面獨特的結構實現(xiàn)水膜的連續(xù)、定向輸運（Chen H, Zhang P, Zhang L, et al. Nature, 2016, 532, 85-89.）。受此啟發(fā)，于存明副教授團隊通過在超疏水表面刻蝕非對稱的親水陣列，發(fā)展了一種豬籠草仿生二維結構。在水下，超疏水表面可以形成一層穩(wěn)定、連續(xù)的氣膜，氣膜的存在可以牢牢地黏附氣泡；刻蝕區(qū)域對水滴具有較大的粘附力，可以在水下形成一道道“水籬笆”。這種氣膜/水痕的圖案化表面可以產生非對稱的阻力，實現(xiàn)氣泡在豬籠草仿生二維結構表面的定向、長距離連續(xù)鋪展。

圖1.豬籠草仿生二維結構的仿生思路及結構表征。a）豬籠草仿生結構可以實現(xiàn)水滴、油滴、以及氣泡的定向及長距離輸運；b）豬籠草仿生二維結構的光學照片；c）超疏水區(qū)域的掃描電鏡（SEM）及激光共聚焦顯微鏡圖像（CLSM）；d）激光刻蝕區(qū)域的SEM及CLSM圖像。

  研究團隊系統(tǒng)地研究了超疏水軌道寬度（w）、親水區(qū)域間距（d）、以及親水區(qū)域的傾角（α）對氣泡輸運過程的影響，并通過COMSOL Multiphysics對氣泡在豬籠草仿生二維結構表面的輸運過程進行模擬，實驗結果與理論模擬結果一致，揭示了豬籠草仿生二維結構表面對氣泡鋪展產生非對稱阻力及其定向運動的內在機理。

圖2.氣泡定向輸運的影響因素。a）豬籠草仿生二維結構單元的設計參數(shù)，超疏水軌道的寬度（w），兩個親水區(qū)域間距（d），親水區(qū)域傾角(α); b）親水區(qū)域間距及傾角對氣泡鋪展方向性的影響；c）氣泡在豬籠草仿生二維結構表面鋪展；d）COMSOL Multiphysics對氣泡鋪展的理論模擬。

  此外，課題組還展示了一種具有豬籠草仿生二維結構的柔性電極，實現(xiàn)了H₂氣泡的定向、連續(xù)輸送。該研究為實現(xiàn)液體環(huán)境中氣泡的智能操控提供了一種嶄新的思路，為揭示自然界中各種單向浸潤現(xiàn)象以及解決人類社會生產過程中的流體問題提供了獨特的視角。

圖3.具有豬籠草仿生二維結構的柔性電極。a）柔性電極示意圖及光學照片；b）氣泡在柔性電極表面的輸運；c, d）柔性電極用于電解水過程中氫氣生成-輸運-收集的示意圖及光學照片。

  該研究工作《Bioinspired Two-Dimensional Structure with Asymmetric Wettability Barriers for Unidirectional and Long-Distance Gas Bubble Delivery Underwater》發(fā)表在Nano Letters（doi:10.1021/acs.nanolett.0c04814.）。論文的第一作者是北航2020屆本科畢業(yè)生肖瀟，目前在加州大學洛杉磯分校生物工程系攻讀博士學位，通訊作者為北航化學學院的于存明副教授，共同通訊為北理工的姜鳳敏博士。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04814