气泡|飞秒激光直写超疏水表面微通道的水下气体自输运及操控应用国家矿山安全监察局|华为公司

来自：Editorial Office 极端制造 IJEM 2022-01-28 20:28此处免费订阅《极端制造》电子刊Subscribe to e-version of IJEM for free
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作者雍佳乐、杨青、霍静岚、侯洵、陈烽*
单位
西安交通大学 Citation
Yong J L, Yang Q, Huo J L et al. Underwater gas self-transportation along femtosecond laser-written open superhydrophobic surface microchannels (<100 μm) for bubble/gas manipulation. Int. J. Extrem. Manuf. 4 015002(2022).
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac466f
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撰稿 | 文章作者
01
文章简介

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）。

关键词：飞秒激光；气体自输运；超疏水；水下超亲气；气体操控亮点：

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

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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02
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。