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( 三 ) 国家矿山安全监察局|华为公司

文章插图
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。
文章插图
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））
文章插图
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

文章插图
图12 基于飞秒激光制备的多孔超浸润膜收集水中的气泡
04
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。
05 作者简介雍佳乐
副教授
西安交通大学副教授，博士生导师。2011年和2016年分别获得西安交通大学电子科学与技术专业学士学位和博士学位。主要研究方向为飞秒激光仿生微纳制造及材料表面润湿性调控。基于飞秒激光在工程材料表面诱导的仿生微纳米结构，围绕材料表面复杂润湿性调控的原理与方法开展了系统深入的激光仿生微纳制造研究。现已在国际知名SCI学术期刊发表学术论文90余篇（其中第一作者49篇，通讯作者7篇）。所发表论文目前总被引3800余次，H因子为33。博士毕业论文《飞秒激光仿生调控材料表面润湿性》荣获“2018中国电子学会优秀博士学位论文奖”。透明水下抗油纳米界面的研究成果入选中国激光杂志社“2015中国光学重要成果”。部分研究成果被15次选为封面文章（前封面11篇），8篇文章（7篇一作，1篇通讯）先后入选ESI高被引论文。研究成果多次被英国皇家化学学会官网Chemistry World、Wiely出版社官方新闻网站Advanced Science News、国际著名工程学网站Advances in Engineering（AIE）、Materials Views China等媒体专题新闻报道。入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2020）。