上海交大张律文课题组发表基础微结构如何主导超亲气表面超快气泡捕获的最新成果

近日，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在《Nature Communications》上发表题为“Understanding ultrafast free-rising bubble capturing on nano/micro-structured super-aerophilic surfaces”的研究论文（2025年4月17日上线）。该研究实现了基础微结构/纳米颗粒超亲气表面上的快速气泡捕获，揭示了气泡上浮过程中微结构持续促进液膜排水从而主导捕获的关键机制，并在剪切流动体系中验证了高效的可持续气体收集性能。

在船舶减阻、海洋甲烷富集及水处理等领域，高效捕获气泡对于目标气体介质的定向收集与气相杂质清除至关重要。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理解。

受绒毛结构存在差异的槐叶萍叶片均展现出高效气泡捕获的启发，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）。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0.16–0.37 m/s）内实现了平均1.5 ms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种亲气表面的最优水平，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2），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。

图1：a 锥形结构表面的扫描电子显微镜图像。b 激光共聚焦显微镜测得的高度图及微锥结构特征。c 微纳结构（MA）表面和纳米颗粒修饰平板（FH）表面气泡质心高度H随时间t的变化。d 锥形微结构表面浸入水下时的共聚焦荧光图像，展现出清晰的气液界面和三相接触线特征。e 气液界面在MA和FH表面上的荧光反射图像。f FH和MA表面上最终界面轮廓曲率的理论预测。g 气泡靠近MA表面（b/a值从1.7增大至3.5）时，利用PIV技术获得的气泡周围按速度大小着色的流线图。h 基于无量纲气泡尺寸D0/L及微结构高径比b/a的高效气泡捕获相图。

图2：a定向流场环境下的气泡捕获实验系统，由矩形流道、精密注射泵、潜水泵和倒置水封式收集装置构成。b 优化后的MA模型表面和FH表面，尺寸均为130×10×1.6毫米。c 浸入式集气装置在120秒测试期间量筒内集气量。d 雷诺数为2083时，不同气泡注入率下的集气量随时间的累积。

该论文的第一作者为上海交通大学船建学院博士毕业生胡悦，博士生时浩天完成了SPH仿真。合作者还包括上海交通大学王本龙教授和香港城市大学博士生徐振博。张律文教授和香港理工大学王立秋教授为共同通讯作者。该工作得到了中船集团-上海交大海洋装备前瞻创新联合基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59049-x

作者： 船舶海洋与建筑工程学院 供稿单位： 船舶海洋与建筑工程学院