大连理工大学张淑芬教授CEJ：浸润性可调的可重构形状记忆光子晶体用于揭示气泡演化和操纵
气泡作为典型的气液混合体系是一种重要的界面流体动力学现象。在日常生活和工程领域都有广泛的应用，包括电化学反应、微流控、热交换器、矿物浮选和传质等领域。例如，微流控系统中的气泡会阻塞微通道，从而阻碍微器件的基本功能；电极上附着气泡会降低电化学反应速度。以往对气泡的研究主要集中在定向输运、超疏气表面、爆破机理、传质、和粘附/反粘附等方面。了解气泡在大孔材料表面的演化，包括产生、生长、聚结、破裂和漂浮，是气泡相关应用的关键。然而，由于气泡的透明性和低对比度，人们对气泡在固液界面上的演化仍然缺乏认知。此外，现有的研究还不足以揭示气泡演化过程中的气液交换，这限制了大孔和介孔材料的发展。
鉴于此，大连理工大学张淑芬教授和伊利诺伊大学香槟分校化学与生物分子工程系的杨宏（Hong Yang）教授合作，以润湿性控制的形状记忆3D反蛋白石和2D碗状光子晶体作为大孔载体，引入活性二氧化锰，通过跟踪过氧化氢的催化析氧，在一个简单的系统中便可直观地分析气泡的产生、生长、聚结、破裂和漂浮过程。
图 1. a)大孔材料表面气泡演化示意图; b) 压力诱导图案化后气泡演化示意图。
气泡的演化伴随着气液交换，导致薄膜体系有效折射率的变化，从而引起结构颜色的红移或蓝移。因此，气泡演化和相应的气液交换可以通过结构色进一步被揭示。当薄膜浸入30% 过氧化氢溶液中时，由于有效折射率的增加，局部润湿引起结构色红移。与此同时，过氧化氢穿过光子晶体与下表面的活性二氧化锰接触，触发催化析氧，氧气穿过大孔在上表面成核并聚集，形成附着气泡。随着氧气泡的富集，气泡不断生长。由拉普拉斯压力触发的气液交换使相应的反蛋白石的有效折射率降低，从而导致结构颜色的蓝移。气泡破裂或漂浮后，液体再渗透到相应的大孔中，由于有效折射率的增加而再次导致结构色红移。
图 2.大孔材料表面气泡演化过程的光学显微照片和数码照片
图 3.压力编码前后大孔材料表面气泡演化过程中相应的光谱、粘附力以及析氧量
气泡演化过程中，受表面润湿性的调控，结构色红移或蓝移程度直观的反映了大孔材料内的气液交换强度。通过压力诱导大孔变形可以有效的调节3D反蛋白石和2D碗状光子晶体的表面浸润性，从而调控气液交换强度以及气泡粘附力。
图 4.压力编码前后3D反蛋白石和2D碗状光子晶体表面微结构的变化
图 5.压力编码3D反蛋白石相关的反射光谱以及2D碗状光子晶体气泡浸润性的变化
对于不同润湿性液体，为了观察气泡的演化过程，复合膜应该具备可调节的颜色对比度。压力引起的大孔变形调节了表面润湿性，从而在过氧化氢溶液中增强了气泡覆盖区域与背景的颜色对比度。因此，它可以用于不同浓度过氧化氢溶液中气泡的演化分析，进一步可推广为不同表面张力的溶液体系。此外，压力诱导的大孔变形可以通过乙醇润湿得到恢复。
图 6.压力编码后3D反蛋白石表面的气泡演化过程
对于2D碗状光子晶体，表面纳米结构的变形赋予了气泡的可操作性，并调节了氧气的析出速率。碗的可逆变形，可实现气泡附着与反附着的切换。它有效地提高了我们对气泡演化过程的理解，并在信息编码、催化、膜科学、结构电极和流体传质方面有潜在的应用价值。
图 7.压力编码后2D碗状光子晶体表面的气泡操纵过程
相关成果近日发表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.130859。论文的通讯作者为大连理工大学张淑芬教授，第一作者为化工学院博士生齐勇。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472102444X
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