--- 材料科学与工程学院-中文 ---
来源：高分子科学前沿
经过亿万年的进化，动物和植物演化出了神奇的流体操控机制，用于优化进食、降温和攻击等行为。大自然的启示为我们设计具有发、连续、智能和可集成的流体传输界面提供了无穷无尽的灵感。自然界中的生物主要是利用不对称因素来控制表面流体的传输，如润湿性差异、定向微结构和几何梯度。例如，蝶类的探针具有疏水的外表面和亲水的内管，这样可以确保吸食液体时不会发生渗漏。德克萨斯角蜥利用亲水取向的鳞片，可以以相对静止的姿势自动吸水。通过棘轮结构和锥形通道的融合，滨鸟可以通过长喙的往复开闭运动轻松饮水。因此，生物启发的流体传输优于单纯的开放通道和非对称结构，这是提高流体传输效率和控制流体行为更好的方法。水下气体控制在曝气、气体催化、水分离、防伪等方面展现出了潜在的应用价值。受猪笼草启发的疏水超润滑表面由于表面润滑剂的流动性，不溶性以及亲气性等有趣的特性已被证明可以用于水下气体操控，这种表面在气体操纵能力方面表现出更高的稳定性和耐久性（Adv. Funct. Mater, 2017, 27, 1701605）。
图1 SLSO分层气体通道的设计与制备。a) SLSO分层气体通道的仿生原型--结合了猪笼草启发的超润滑表面和蜂鸟口器中的锁水结构。b) 基于3D打印技术的SLSO分层气体通道的制备过程，插图分别代表了相应步骤中水下气泡在表面的接触角。c) SLSO分层气体通道中的气体扩散过程，i) 气体注入过程的俯视图，比例尺为1 cm，ii) 4ul气泡扩散过程的侧视图，比例尺为2 mm。d) 疏水通道和SLSO分层通道浸入水中的耐久性测试，以每天每小时10 ml的速度向通道中注入气体。超疏水通道在27天后失效，而SLSO分层通道在365天后仍能输运气体。e) 超疏水通道和SLSO分层通道耐久性差异的机理是超疏水通道中的气体膜容易失效，导致气体通道堵塞。相比之下，SLSO分层通道中的润滑剂层不可压缩且稳定。f) SLSO分层通道和超疏水通道在2个大气压的压力处理2小时后的气体传输过程比较，比例尺为1 cm。
图2 SLSO分层气体通道中的气体传输。a) 气体在通道中扩散过程的机理分析，包括气体在通道中的铺展过程和在上表面的逃逸过程。b) 气体在低于和高于临界气体速度的 1.73 mm宽SLSO分层通道中的传输过程，比例尺 1 cm。当边缘表面为超亲水时，润滑剂不会在上表面扩散。相比之下，当上表面未改性时，润滑剂倾向于在边缘表面扩散，从而形成亲气边缘。d) COMSOL Multiphysics模拟气泡在SLSO分层气道中扩散的正视图。上表面的水接触角分别为10°、60°、110°和160°。e) 随着通道宽度的增加，临界注气通量呈先增大后减小的趋势。f）随着通道深度的增加，极限注气通量呈先增加后不变的趋势，这与气体在通道中的动态扩散深度有关。g) 在准静态下，气体在通道中的扩散深度与通道宽度成反比。h) 通过COMSOL Multiphysics仿真得到的不同上表面水接触角下气泡在通道中的扩散速度。结果表明，边缘表面接触角越大，气泡扩散速度越慢。
图3 多种 SLSO分层气体通道中的气体输运。a)U形，b)螺旋形，c)Y形，d)X形SLSO分层气体通道中的气体输运过程。e)上下镂空SLSO分层气体通道中的气体输运过程。f)气体在折叠波浪形SLSO分层气体通道中的传输过程，最终表面气体比可达80%。g)拼接SLSO分层气体通道的组装示意图。润滑剂可在拼接处自发形成液桥，从而形成连续的超润滑气体输运通道。h) 形，i) 形和j)O形的组装SLSO通道。比例尺 1 cm。
图4 基于SLSO通道的微芯片用于二氧化碳吸收。a) 芯片上的二氧化碳捕集过程。胺溶液在上侧循环，二氧化碳/空气混合物在下侧连续注入，二氧化碳在气液界面上被胺溶液连续吸收。(b）二氧化碳/空气混合物在 50% MDEA溶液的SLSO分层气体通道中的吸收过程，比例尺 1 cm。c) 浸入50% MDEA溶液的SLSO分层通道和超疏水通道中二氧化碳/空气混合物柱体积的减小速度，可以看出没有明显差异。d) 浸入50% MDEA溶液的超润滑表面和PDMS表面的二氧化碳气泡的吸收速度。e) 二氧化碳吸收装置充满CO2气体的过程。比例尺为1 cm。