受呼吸系统启发！东南大学，最新Nature Sustainability

仿生呼吸系统！静电微流控空气净化系统

空气污染物（如颗粒物PM和有毒气体）对人类健康与日常生活构成了严重威胁。为应对这一挑战，研究者们已开发出聚合物吸附剂、多孔过滤器和界面吸收等多种净化策略。其中，基于气-液界面吸收的方法因能利用相间表面能差异高效锚定污染物而备受关注，但其仍面临诸多瓶颈，例如传统过滤器的堵塞、污染物逃逸以及静态液相易饱和导致的效率下降等问题。因此，开发一种能连续、高效且稳定捕获污染物的新型净化策略成为领域内的迫切需求。

受人体呼吸系统通过弯曲气道表面的黏液和纤毛净化空气的生理功能启发，东南大学研究人员开发了一种静电开放微流控（EOM）系统用于仿生空气净化。该系统集成了静电场辅助极化与偏转功能，并利用开放微流控技术构建了动态更新的气-液界面。该界面能优先捕获空气中的颗粒物，并在电场力作用下增强效果；同时，极化的气态污染物可被自由基和电子激活，并由定制功能液体去除。此外，其独特的人字形开放通道促进了气流与液体的充分交互，显著提升了净化效率。相关成果以题为“Respiratory-inspired electrostatic open-microfluidics for air purification”发表在最新一期《nature sustainability》上。

图 1 | 受呼吸启发的空气净化EOM示意图

动态气-液界面的构建与调控

研究团队首先通过复制3D打印模板制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱阵列，并喷涂聚乙烯醇/二氧化硅（PVA/SiO₂）亲水涂层以实现功能液体（FL）的传输与动态锚定（图2a）。扫描电镜和原子力显微镜图像证实，改性后的表面粗糙度增加且亲水性显著提升（图2b）。实验表明，该亲水涂层在7天内的稳定性优于传统的氧等离子体处理。研究进一步揭示了界面高度（hᵢ）与微柱高度（h）及间距（d）的相关性，并通过拉普拉斯方程推导出半经验公式，显示hᵢ与h呈正相关、与d呈负相关（图2d）。通过优化流速，系统可在0.3 ml h⁻¹至20 ml h⁻¹的“高效区间”内维持动态锚定状态，避免液膜或泄漏（图2e）。有限元分析及光学显微镜观察证实，即使在正负曲率弯曲条件下，微柱阵列也能有效抵抗形变并维持界面稳定（图2f, 图2g）。弯曲角度实验表明，负曲率表面能降低界面能并提升液体传输速率（图2h, 图2i）。

图 2 | 由微柱阵列固定的动态气液界面

气-液界面的颗粒与化学物捕获能力

鉴于气-液界面的稳定性与动态更新特性，研究团队将其用于气相颗粒的捕获与传输。当颗粒接近界面时，因表面自由能变化而自发粘附（图3a）。高速摄像实时记录显示，气相中的颗粒被界面捕获后沿FL流动方向传输（图3d），且传输速率在高效区间内随流速增加而提升（图3e）。粒子图像测速分析表明，颗粒周围区域的剪切速率明显增加，证实了高效的传输过程（图3g）。除固体颗粒物外，系统还能捕获SO₂、NOₓ、CO₂和甲醛等气态化学物。通过定制FL成分，如使用氢氧化钠/酚酞用于酸性气体比色传感（图3h）、溴百里酚蓝用于CO₂检测（图3i）、以及AHMT/KIO₄用于甲醛检测（图3j），系统在捕获的同时可实现可视化传感。

图 3 | 在动态气液界面捕捉颗粒和化学物质

静电增强型EOM功能单元构建

为进一步提高捕获效率，研究团队将高压静电场与开放微流控集成（图4a）。接地面板与芒刺线之间的电场使空气电离，产生大量离子和自由基，使中性颗粒物带电极化并偏转至接地面板，增强与界面的接触。密度泛函理论计算显示，气体分子共价键在电场方向被拉伸，静电势显著增强，处于活化状态（图4b）。数值模拟及实验观察到，烟雾气流在电场开启后发生明显偏转（图4c），且偏转距离与电压呈负相关。人字形微通道的设计增加了气流与界面的接触面积，优化了流场分布（图4e）。实验结果显示，EOM系统对0.3-10 μm尺寸颗粒的累积电荷数与去除效率均随粒径增大而提高，总去除效率高达95%以上（图4f）。针对多组分污染空气，系统可通过串联或并联不同FL的功能单元实现协同净化（图4g）。

图 4 | 用于空气净化的EOM功能单元建设

实际应用与安全性验证

在为期72小时的连续运行测试中，系统产生的臭氧浓度处于安全范围内，未发生电击穿现象，且微柱表面无污染物残留（图5a-f）。在酸碱盐等腐蚀性环境中浸泡7天后，表面仍保持稳定亲水性，微柱结构未见明显腐蚀，展现了优异的抗腐蚀与抗污染性能。在1 m³空间内的净化测试表明，污染空气可在2小时内净化至安全水平。在小鼠肺部保护实验中，经EOM净化的烟雾组小鼠肺泡形态健康，与新鲜空气组相近，而未处理烟雾组则出现明显萎缩（图5h, 图5i），证实了其在预防肺部损伤方面的潜力。

图 5 | EOM系统的扩展应用

总结与展望

综上所述，该EOM系统相比传统空气净化技术，得益于动态更新的气-液界面，具有可持续性强、抗腐蚀、低成本及长寿命等显著优势。其基于润湿性的捕获机制可扩展至PM、气溶胶、多种有毒气体乃至病原体。FL成分可根据目标灵活优化，实现高效吸附与传感。未来研究将聚焦于提升系统稳定性与可扩展性，探索微柱阵列与通道的其他排布模式，以进一步优化性能，推动其在家庭及工业废气净化等多元化场景中的应用。