科研速递：仿生微纳结构表面，实现超快速气泡捕获

微纳结构表面的设计与制备是当代材料科学与工程的前沿领域，其重要性源于自然界与工业应用的双重启示。自然界中，荷叶的“出淤泥而不染"、鲨鱼皮的减阻游动、蝴蝶翅膀的结构显色等现象，皆源于其精妙的微纳结构，这赋予了表面超疏水、减阻或光学调控等功能。这些自然界的智慧启示着科学家：通过人工设计微纳尺度的表面形貌，能够突破材料本征性能的限制实现功能。

在这一背景下，摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术凭借其超高精度快速成型能力，能显著加速研发进程，实现设计概念到物理样件的高效转化，从而大大缩短实验迭代周期，实现功能属性的定向创生与性能跃升。

微纳3D打印技术对于深入探索微纳结构的功能至关重要。例如，在船舶减阻、海洋甲烷富集及水处理等领域，如何高效捕获气泡以实现目标气体的定向收集或气相杂质清除，是核心问题之一。当前表面工程普遍采用结构精细化策略以提升捕获性能：纳米级表面构筑有助于维持Cassie-Baxter润湿态、提升气相比、引入纳米级滑移边界、诱导显著拉普拉斯压差，从而降低液膜内流动阻力并加速液膜破裂。然而实验数据表明，当表面特征尺寸从微米级缩减至纳米级，气泡捕获时间并未呈现相应数量级的降低，且在特定工况下，硅烷化疏水微结构表面表现出较纳米粒子修饰表面更优异的气泡捕获性能。

因此，尽管纳米结构对气泡接触瞬间的破裂及后续吸收具有决定性影响，但从气泡捕获的全周期看，气泡接近到初始接触阶段的液膜排水过程才是效率调控的关键环节——不同表面在该阶段耗时差异可达两个数量级以上。显然，纳米结构对此非直接接触阶段影响有限，而微米结构在排水主导阶段对受限界面动力学与气泡行为的调控机制还缺乏充分理解。

为探索这一机制，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院张律文教授与合作者受绒毛结构存在差异的槐叶萍叶片启发，他们观察到上升气泡会使捕获的气层发生大幅变形，将液膜迅速减薄至破裂阈值，因此，使用装饰有纳米颗粒的微锥阵列（这是获得超亲气性的一个便捷示例）能够实现低至约1毫秒的超快气泡捕获。由于三相接触线的滞后运动，这种快速捕获也非常稳定，这启发他们得出了确保气层稳定性和捕获效率的临界压力准则。这种微纳结构化表面还能在具有挑战性的剪切流中实现长时间、无损耗的气体传输，为多种系统提供了可靠的气泡控制策略。

该研究以“Understanding ultrafast free-rising bubble capturing on nano/micro-structured superaerophilic surfaces"为题，发表在国际著名期刊《Nature Communications》上。

本研究构建了百微米级锥形结构/纳米颗粒涂层的模型表面（图1），其中百微米级锥形结构是采用摩方nanoArch® P140（精度：10μm）制备而成。该表面在宽参数范围（气泡无量纲直径为1.6–3.5，接近速度为0.16–0.37m/s）内实现了平均1.5ms的超快捕获，较纳米颗粒修饰疏水平面提升47倍，达到了目前18种亲气表面里的优异水平，而这些表面的特征尺寸较本模型表面显著精细化。

在微米单元层面，通过激光共聚焦显微镜和搭建的荧光标记-界面反射装置原位表征了微锥单元内气液界面形貌，其界面曲率在三相线钉扎效应下达到纳米涂层平板气层的4倍；考虑钉扎效应建立的排水动力学模型进一步证实，该曲率增强导致液膜排水速率峰值达到自由界面的1.6倍，从而促使液膜快速达到临界破裂厚度。由此明确了特征单元内气液界面曲率增强与局部液膜加速减薄的协同效应是气泡超快捕获的核心机制。在宏观阵列层面，粒子图像测速（PIV）表征揭示了微锥阵列对近表面流场结构的调控作用，侧涡环和尾涡强度提升约90%。通过建立该气泡-液膜-气层多相系统的能量转换关系，揭示了微锥阵列通过高效转化气泡动能为气层表面能从而主导整体排水动力学的关键机制。

上述机制能否持续有效取决于气层在液膜排水压力下的动态稳定性。本研究建立了基于锥体几何、弯液面曲率半径、本征疏水角的临界压力判据，确定了实现超快气泡捕获的微结构优化参数空间。基于该理论优化后的微锥超亲气模型表面，在构建的剪切流动系统（Re=2083-5417）中实现了最高12小时的无损连续传输（图3），结果支持基础的微结构超亲气表面在剪切流场中具有高效捕获气泡的应用潜力，其性能极限仍有待进一步探索和突破。