克服水下气泡的长距离单向运输问题：激光加工单层超气疏双轨阵列

气泡在水介质中的行为研究一直是一个热门话题，因为它们在科学研究和工业应用中起着重要作用。润湿性梯度力和拉普拉斯压力是气泡运输的两个典型特征。然而，大部分关于气泡运输的研究都限于短距离。

因此，我们从猪笼草的结构中获得启发，制备了超气疏双轨阵列（SDRA）。通过这种结构，即在表面上均匀分布超气疏和超气亲区域，气泡可以在结构表面上长距离传输。其基本原理是气泡在超气亲区域上扩散，直到与非对称的超气疏障碍物接触。

产生了一种不对称的扩散阻力力，这是由于气泡与超气速障碍物之间的三相接触线（TCL）长度不同。此外，还对各种参数进行量化，以研究单向和双向之间的关键传输状态。

在SDRA的作用下，结构表面可以实现气泡收集。运输器以及光控光快门也成功部署。本研究将激发人们开发创新策略，有效操控实际应用中的气泡。

引言

在材料科学和工业生产中，操控水介质中的气泡非常重要，因为它们在矿物浮选、药物输送、空气净化等领域具有潜在的应用价值。因此，人们通过人工制造各种创新表面来对水下气泡的运动进行控制，这些表面能够对外部刺激作出响应，包括光、磁场和温度等。

其中，狭窄的双轨道中水下气泡的单向运输问题已经得到广泛研究。例如，Zhu等人通过飞秒激光消融，在超亲水不锈钢板下设计了一种超疏水聚二甲基硅氧烷锥形导轨，用于被动传送水下气泡。

Wu等人利用一步飞秒激光钻孔，制备了聚二甲基硅氧烷的Janus微孔阵列，实现了水下气泡的超快单向传输。这种Janus系统的气泡穿透时间比之前的系统缩短了两个数量级。然而，这些基于非滑动或滑动锥面表面的方法对水下气泡的传输距离有限。

Yu等人制备了一个二维超亲氧表面，装饰有能够单向和长距离传输气泡的非对称节氧屏障。然而，这些方法存在环境污染和处理复杂性的问题，而且耗时且材料消耗大。

迄今为止，探索具有长距离传输能力和简单制备工艺的可操控表面仍然是一个挑战。

我们通过在单个超亲气铝基底上通过两步飞秒激光扫描，纹理化高度排列的超气疏双轨阵列（SDRA）来回答上述挑战。

由于三角形的地形，SDRA中的每个单元都可以推动气泡在理论上无限距离内的方向连续流动（由于激光加工范围和材料的限制，实验中的传输长度约为40毫米）。

通过调节SDRA的形态参数，可以轻松控制方向性和双向运输等传输状态。其基本的转向原理是气泡倾向于在超气亲表面上均匀扩展，直到与不对称的超气疏屏障接触，产生了不对称的扩展阻力力，这是由于气泡与超气疏屏障之间的三相接触线（TCL）长度不同。

最后，成功部署了SDRA作为气泡收集器、传输器和光控光快门。当前的工作为研究人员设计高性能的气泡操纵器提供了深入的指导，并进一步提高了对涉及气泡的流体力学的理解。

材料

从中国清河县武宣金属材料制造商获得的铝板（厚度约为1毫米），商业可得的Glaco、酒精和丙酮，以及去离子水（H2O，密度：1克/立方厘米）。

单层超亲气双轨阵列的制备

首先，将厚度为1毫米的铝板表面以40毫米/秒的切割速度和400毫瓦的输出功率使用飞秒激光进行扫描。然后，在铝表面涂覆Glaco并呈现超气亲特性。然后，根据设计图案再次扫描表面。

表征

利用扫描电子显微镜（SEM，Zeiss，EVO18）获得微槽形貌的表面。用接触角测量仪（CA100C，Innuo，中国）在室温下测量气体（20微升）的气泡接触角。用测量仪（Regulus 8230）测量铝板上的元素分析。

气泡传输策略和应用

将气泡注入SDRA结构表面的气亲区域。

不对称力驱动气泡移动，通过改变SDRA结构的参数使气泡可以单向/双向传输，并利用SDRA结构的特性用于控制光学路径的应用。

结果与讨论

展示了超气疏双轨阵列（简称SDRA）的制备过程，其中两个典型步骤如下：首先，通过飞秒激光交叉扫描来制造铝板（厚度约为1毫米）的超气疏形貌，并增加表面粗糙度，这在近期的功能表面制备中经常采用。

其次，为了改变铝表面的润湿性，使用Glaco，在表面均匀喷涂并选择性地使用飞秒激光扫描表面来制造SDRA。与其他传统方法相比，

可以实现复杂结构的加工，从而提供了实现更高效的气泡输送性能的方法。

SDRA是通过上述系统平台制备的。SDRA结构的设计受到猪笼草植物的启发，这些植物具有长程传输的优点。

通过扫描电子显微镜的进一步观察，可以看出SDNA由多个微柱、纳米颗粒和纳米孔组成，这有利于为铝板表面提供充足的空间，便于更多的Glaco微纳颗粒吸附在铝板表面上，以及垂直方向上的微气泡传输。

显示了SDRA上的气泡在不同形貌参数下的传输性能。通过改变SDRA的参数，如微柱的高度和间距，可以调节气泡的传输方向和速度。

例如，当微柱高度为6微米，间距为6微米时，气泡以较高的速度在SDRA上向右传输。当微柱高度为6微米，间距为3微米时，气泡以较低的速度在SDRA上向左传输。

此外，通过调节涂覆层的厚度和涂覆方法，也可以对气泡的传输行为进行进一步的控制。显示了气泡在SDRA上进行的单向传输，通过调整涂覆层的厚度和SDRA参数，可以实现气泡的双向传输。

在应用方面，SDRA结构可以作为气泡的操纵器和光控光快门。例如，通过调整SDRA的形貌参数，可以控制光线在SDRA上的传输路径，实现光学信号的调制和控制。此外，SDRA还可以用于气泡的收集和传输，例如用于水下气体传输和微气泡操纵。

总结

本研究通过使用飞秒激光制备了超气疏双轨阵列（SDRA），用于水下气泡的传输和操纵。通过调节SDRA的形貌参数，可以实现气泡的单向和双向传输，并且可以控制气泡的速度和方向。

此外，SDRA还展示了在光学传输和气泡收集等应用中的潜力。通过这项研究，我们为设计高性能的气泡操纵器提供了新的思路，并增进了对涉及气泡的流体力学现象的理解。

然而，目前的实验工作还存在一些局限性。首先，实验中的气泡传输距离有限，受到激光加工范围和材料限制的影响。

进一步研究可以探索如何增加传输距离并实现更长程的气泡传输。其次，SDRA的制备过程中使用了飞秒激光和特殊的涂覆材料，这可能在大规模制备和实际应用中带来成本和技术难题。未来的研究可以尝试开发更简单、成本更低的制备方法，并探索其他材料的可行性。

尽管存在一些挑战和限制，SDRA作为水下气泡传输和操纵的新策略，具有潜在的应用前景，并为相关领域的研究和开发提供了新的思路和指导。

SDRA的简单制备及其表征结果。(a) 描述由SDRA构成的制备策略的示意图。(b) 激光加工的示意图。(c) 激光加工后的结构。比例尺：5毫米。(d) 激光烧蚀后的铝表面的扫描电子显微镜图像。(e) 水下气体亲和区（SAL）和气体喷吹区（SAB）中的气泡接触角度。(f) SAL和SAB区域中元素含量分析的示意图。

SDRA上的气泡传输及参数分析。(a) 结构设计需要考虑参数：两个超气疏障碍之间的间隙宽度（d），脊柱的倾斜角度（α），相邻柱之间的间距（s），以及超气疏障的长度（L）和宽度（w）。(b) 在其他参数确定的情况下，参数（d）和参数（α）的组合会产生不同的气泡传输状态。(c) 气泡无法继续扩散，形成夹持状态。(d) 气泡在双向传输区域中以两个方向运输，并由CCD记录传输过程。(e) 气泡在单向传输区域中以一个方向运输，CCD记录传输过程。

气泡传输机制分析图解。(a) 气泡单向运动力分析图解。(b) 气泡双向运动力分析图解。(c) 气泡钉住状态力分析图解。

气泡相关参数对传输状态的影响的相图以及实现气泡传输的各种图案结构示意。(a) 斜柱宽度w和相邻斜轨间距s对气泡传输的影响。(b) Y形结构、U形结构和花朵形结构展示气泡传输。

在SDRA上自由控制气体泡的可编程光路径，作为光控光光学快门。(a) 可编程开关设计示意图。(b) 气泡不阻挡光路径；光点存在，标记为开启状态。(c) 气泡阻挡光路径；光点存在，标记为关闭状态。(d) 激光功率和时间变化的曲线图（注入气体流量约为1.67 μL/s）。

结论

总结起来，我们通过模仿猪笼草盘缘的结构，利用两步骤的飞秒激光扫描提出了SDRA结构，实现了水下气泡的定向长距离运输。通过三角形的地形，SDRA中的每个单元可以将气泡定向地持续流动，理论上可以实现无限距离的运输。

此外，通过改变SDRA的参数，可以轻松控制气泡的运输状态。其基本机制是当气泡在超亲气表面上均匀扩展，直到与超疏水的阻挡层接触时，会产生不对称的扩展阻力，这是由气泡与超疏水阻挡层之间三相接触线长度不同所致。

基于SDRA的功能，我们还展示了一些有趣的应用，如光控光。与现有系统相比，这项工作在可控气泡操纵方面打开了更多可能性。

参考文献

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