摘要:

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

水下气体的操控（例如气泡或气体的输运）在能源利用、化工制造、环境保护、农业生产、微流控芯片、医疗健康等领域有着广泛的应用。尽管一些宏观的梯度几何结构（如三角形结构和尖锥结构）能够驱使水下的气泡自发地、定向地运动一定的距离，然而这些梯度结构却无法在微观尺度下实现气体的自输运。这是由于微观的梯度结构无法为气泡的运动提供足够的驱动力。如何在微观尺度上上实现气体自发运输仍然是一个巨大的挑战。水下微通道中传输气体在微流控、实验室芯片、微分析、微探测器等领域具有重要的应用前景。近期，西安交通大学电子与工程学院的陈烽教授、雍佳乐副教授、霍静岚博士、侯洵院士，和机械学院杨青副教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《沿飞秒激光直写的开放超疏水表面微通道(< 100 µm)的水下气体自输运实现气泡/气体操控》的研究文章，介绍了水下气体在飞秒激光直写的微通道结构上的自输运现象。在水下，飞秒激光诱导的超疏水、水下超亲气微沟槽与水环境形成了闭合的中空微通道。当该微通道连接两个不同超疏水区域时，气体可以自发地沿着中空微通道从小区域输运到大区域。气体自输运现象可以扩展到薄膜上激光诱导的穿孔结构。超浸润多孔膜可以实现气泡的单向穿过。理论研究表明，Laplace压力差驱动了自发的气体输运和气泡单向通过现象。飞秒激光制备的超疏水/水下超亲气微沟槽、微穿孔结构上的气体自输运功能在操控水下气体方面有着广泛的应用（图1）。

亮点：

● 利用飞秒激光直写获得了尺寸小于100µm的开放超疏水/水下超亲气表面微通道

● 发现了水下气体在飞秒激光直写的微通道结构上的自输运现象

● 报道了实现水下气体定向输运和单向穿透的方法

● 实现了水下气泡输运、穿透、收集和去除等一系列气体操控应用

图1 飞秒激光直写超疏水表面微通道用于水下气体自发定向输运及各种气体/气泡操控。

2. 研究背景

操控和利用水中的气体在能源利用、环境保护、化工制造、农业生产、医疗健康、微流控芯片等领域有着广泛的应用。最近的一些研究表明特殊的梯度几何结构可以驱使水下的气泡自发地、定向地运动一定的距离，例如三角形结构和尖锥结构。然而，这些宏观梯度结构无法实现微尺度下的气体输运。如何在微观尺度上实现气体自发输运仍然是一个巨大的挑战。微通道内实现气体传输在微流控、实验室芯片、微分析、微探测器等领域具有重要的潜在应用。可以在材料内部制备这样用于传输气体的微米级通道，然而在材料内部制备微通道常常面临着技术要求高、工艺复杂等问题。
超短脉冲宽度和超高峰值功率两大特点使飞秒激光成为了现代极端精密制造领域的重要工具之一。飞秒激光微加工具有空间分辨率高、热影响区域小、非接触式制造等特点。特别地，飞秒激光可以烧蚀任何给定材料，能够在材料表面直接形成微纳米结构。由于表面微结构对固体材料的浸润性有重要影响，飞秒激光在设计和改性材料的浸润性方面也显示出强大的能力。在本文中，陈烽教授等人发现了水下气体沿飞秒激光直写的超疏水微通道自输运的现象。

3. 最新进展

将飞秒激光聚焦于疏水材料（如聚四氟乙烯（PTFE））表面上（图2），可以很容易在材料表面上直写出一些沟槽结构（图3）。沟槽的内壁上分布着激光诱导的微纳米复合结构。这些微纳米结构（图4a-c）具有超疏水的特性（图4d-h），也即水不能润湿激光诱导的微结构。但在水下，气泡可以在激光处理表面上铺展开，显示超亲气性（图4i，图5）。

图2 飞秒激光直写开放微通道示意图。（a）飞秒激光微加工系统。（b）激光直写方式。（c）微沟槽形成机理。

图3 不同扫描间距(Λ)下飞秒激光在PTFE表面上所制备沟槽结构的横断面电镜图。

图4 飞秒激光诱导微纳复合结构的超疏水性和水下超亲气性。（a-c）激光诱导的微纳结构的电镜图。（d,e）水滴在所制备微结构上保持球形。（f）在水下，激光作用区域反射银镜似的光。（g）水滴在所制备表面上滚动。（h）水滴在所制备表面上反弹起。（i）在水下，气泡在激光处理表面上铺展开。

图5 飞秒激光制备微纳结构的超疏水性和水下超亲气性的形成机理。（a）水滴在微结构上处于Cassie接触状态。（b）浸入水中后，在材料表面形成空气层。（c,d）水下气泡沿表面微纳结构铺展开。

图6 沿飞秒激光制备的超疏水表面微沟槽的水下自发气体输运。（a）气体沿微通道从小气泡传输到大气泡的原理图。（b）飞秒激光制备的微沟槽连接三个不同超疏水圆形区域示意图。圆形区域直径从左到右分别为2 mm, 4 mm, 6 mm。（c）气体自发输运示意图。（d）释放气泡到中间圆形区域后，各圆形区域的变化。（e）持续释放气泡，最大圆形区域处气体的积累。

图7（a）当最小圆形超疏水区域处于中间位置时，气体的输运情况。（b）当最大圆形超疏水区域处于中间位置时，气体的输运情况。

由于飞秒激光制备的微沟槽结构的内壁具有超疏水微纳米结构，当将样品浸入水中时，沟槽结构不会被水浸润。因而会在样品表面与水环境之间形成闭合的中空微通道。通道的宽度取决于激光诱导沟槽的宽度（小于100 µm）。气体可以沿该水下通道自由流动。因而，该微通道可以用来传输气体。如果利用这种激光直写的表面微通道将不同大小的超疏水区域连接起来。研究发现，水下气体会自发地从小区域定向传送到大区域（图6，图7）。该气体输运过程不但具有定向性，而且是自发进行的，无需施加任何外力。超疏水微通道内气体的自输运是不同区域内气体Laplace压力差驱动的。

与材料内部的微通道相比，制备开放的超疏水微沟槽更为直接和方便。微流控技术被我们所熟知，也已经得到了广泛的实际应用。类似微流控技术，超疏水微沟槽上的水下气体自输运性也可用以实现“气流控（aerofluidics）”，其主要目的是在微尺度上操控气体和流体并利用它们的相互作用来创建高度通用的系统。气流控将在微分析、生物医学工程、传感器等领域具有开拓性的应用。

除了在PTFE表面上制备的开放超疏水微沟槽结构，穿透PTFE薄膜的微孔结构也对水下气体的输运有重要的影响。基于飞秒激光微加工技术，作者在PTFE膜上制备了漏斗状的微穿孔阵列（图8a-h）。每一个穿孔的制备包括三步：激光焦点减速前进，停留，加速前进。在水下，当漏斗状微孔结构的较大口向上放置时，上浮气泡能够从下表面到上表面穿过该多孔膜(图8i-k，图9a-c)。相反，当大口向下放置时，上浮气泡无法穿过多孔膜，全部气泡会被拦截在膜的下部（图8l-n，图9d,e）。因此，水下气泡只被允许单向地穿过所制备的多孔膜。这是飞秒激光制备的漏斗状微穿孔的不对称形貌和特殊表面浸润性共同作用的结果。

图8 水下气泡单向穿透飞秒激光制备的多孔膜。（a）漏斗状微穿孔的制备过程。（b-h）所制备漏斗状多孔的形貌。（i-k）上浮气泡穿过多孔膜的原理示意图。（l-n）上浮气泡被多孔膜拦截的原理示意图

图9 水下气泡单向穿透飞秒激光制备的多孔膜的实验结果。（a-c）当多孔膜上漏斗状穿孔的大口向上时，上浮气泡能够穿过多孔膜。（d,e）当多孔膜上漏斗状穿孔的大口向下时，上浮气泡被多孔膜拦截。

这种气体单向穿透性甚至可以实现气体的反浮力渗透（图10）。在水下，如果将微穿孔的大口向下放置，移动气泡使之接触薄膜的上表面，气泡能够自发地向下穿透过多孔膜，并在薄膜下方鼓起来。在该气体自输运过程中，气泡克服了浮力的束缚。

图10 反重力气泡自输运过程。

与二极管类似，气体单向穿透功能确保气体只能沿特定方向流动，避免了气体回流。在操控气体过程中，超浸润多孔膜可用于控制水下气体的输运方向。对于多孔板一侧面向水而另一侧面向空气的特殊情况，水中的气泡可以自发通过多孔板并释放到空气中，使多孔板能够从水里分离气泡（例如去除气泡（图11）和收集水下气泡（图12））。

图11 基于飞秒激光制备的多孔超浸润膜去除水管中的气泡。

图12 基于飞秒激光制备的多孔超浸润膜收集水中的气泡。

4. 未来展望

飞秒激光微加工是一种比较灵活的加工技术，可以在固体材料表面直写超疏水/水下超亲气微沟槽结构，也可以在薄膜上制备微穿孔结构。此外，通过控制程序可以精确地设计微沟槽的轨迹和微穿孔的位置。虽然文章中只研究了普通的空气气泡，但是应该注意到，气体输运的驱动力并不涉及气体的化学成分。因此，这种操控气体的方式也适用于其它气体，只要气体无法完全溶解到相应的液体环境中。相信利用飞秒激光直写的超疏水微通道实现水下气体自输运的方法，将会在能源利用、环境保护、化工制造、农业生产、医疗保健、微流控芯片等领域开辟许多新的应用。