微納結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)與制備是當(dāng)代材料科學(xué)與工程的前沿領(lǐng)域，其重要性源于自然界與工業(yè)應(yīng)用的雙重啟示。自然界中，荷葉的“出淤泥而不染"、鯊魚皮的減阻游動(dòng)、蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)顯色等現(xiàn)象，皆源于其精妙的微納結(jié)構(gòu)，這賦予了表面超疏水、減阻或光學(xué)調(diào)控等功能。這些自然界的智慧啟示著科學(xué)家：通過人工設(shè)計(jì)微納尺度的表面形貌，能夠突破材料本征性能的限制實(shí)現(xiàn)功能。

在這一背景下，摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)憑借其超高精度快速成型能力，能顯著加速研發(fā)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)概念到物理樣件的高效轉(zhuǎn)化，從而大大縮短實(shí)驗(yàn)迭代周期，實(shí)現(xiàn)功能屬性的定向創(chuàng)生與性能躍升。

微納3D打印技術(shù)對于深入探索微納結(jié)構(gòu)的功能至關(guān)重要。例如，在船舶減阻、海洋甲烷富集及水處理等領(lǐng)域，如何高效捕獲氣泡以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體的定向收集或氣相雜質(zhì)清除，是核心問題之一。當(dāng)前表面工程普遍采用結(jié)構(gòu)精細(xì)化策略以提升捕獲性能：納米級表面構(gòu)筑有助于維持Cassie-Baxter潤濕態(tài)、提升氣相比、引入納米級滑移邊界、誘導(dǎo)顯著拉普拉斯壓差，從而降低液膜內(nèi)流動(dòng)阻力并加速液膜破裂。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)表面特征尺寸從微米級縮減至納米級，氣泡捕獲時(shí)間并未呈現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量級的降低，且在特定工況下，硅烷化疏水微結(jié)構(gòu)表面表現(xiàn)出較納米粒子修飾表面更優(yōu)異的氣泡捕獲性能。

因此，盡管納米結(jié)構(gòu)對氣泡接觸瞬間的破裂及后續(xù)吸收具有決定性影響，但從氣泡捕獲的全周期看，氣泡接近到初始接觸階段的液膜排水過程才是效率調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——不同表面在該階段耗時(shí)差異可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級以上。顯然，納米結(jié)構(gòu)對此非直接接觸階段影響有限，而微米結(jié)構(gòu)在排水主導(dǎo)階段對受限界面動(dòng)力學(xué)與氣泡行為的調(diào)控機(jī)制還缺乏充分理解。

為探索這一機(jī)制，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院張律文教授與合作者受絨毛結(jié)構(gòu)存在差異的槐葉萍葉片啟發(fā)，他們觀察到上升氣泡會(huì)使捕獲的氣層發(fā)生大幅變形，將液膜迅速減薄至破裂閾值，因此，使用裝飾有納米顆粒的微錐陣列（這是獲得超親氣性的一個(gè)便捷示例）能夠?qū)崿F(xiàn)低至約1毫秒的超快氣泡捕獲。由于三相接觸線的滯后運(yùn)動(dòng)，這種快速捕獲也非常穩(wěn)定，這啟發(fā)他們得出了確保氣層穩(wěn)定性和捕獲效率的臨界壓力準(zhǔn)則。這種微納結(jié)構(gòu)化表面還能在具有挑戰(zhàn)性的剪切流中實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、無損耗的氣體傳輸，為多種系統(tǒng)提供了可靠的氣泡控制策略。

該研究以“Understanding ultrafast free-rising bubble capturing on nano/micro-structured superaerophilic surfaces"為題，發(fā)表在國際著名期刊《Nature Communications》上。

本研究構(gòu)建了百微米級錐形結(jié)構(gòu)/納米顆粒涂層的模型表面（圖1），其中百微米級錐形結(jié)構(gòu)是采用摩方nanoArch® P140（精度：10μm）制備而成。該表面在寬參數(shù)范圍（氣泡無量綱直徑為1.6–3.5，接近速度為0.16–0.37m/s）內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平均1.5ms的超快捕獲，較納米顆粒修飾疏水平面提升47倍，達(dá)到了目前18種親氣表面里的優(yōu)異水平，而這些表面的特征尺寸較本模型表面顯著精細(xì)化。

在微米單元層面，通過激光共聚焦顯微鏡和搭建的熒光標(biāo)記-界面反射裝置原位表征了微錐單元內(nèi)氣液界面形貌，其界面曲率在三相線釘扎效應(yīng)下達(dá)到納米涂層平板氣層的4倍；考慮釘扎效應(yīng)建立的排水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)一步證實(shí)，該曲率增強(qiáng)導(dǎo)致液膜排水速率峰值達(dá)到自由界面的1.6倍，從而促使液膜快速達(dá)到臨界破裂厚度。由此明確了特征單元內(nèi)氣液界面曲率增強(qiáng)與局部液膜加速減薄的協(xié)同效應(yīng)是氣泡超快捕獲的核心機(jī)制。在宏觀陣列層面，粒子圖像測速（PIV）表征揭示了微錐陣列對近表面流場結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，側(cè)渦環(huán)和尾渦強(qiáng)度提升約90%。通過建立該氣泡-液膜-氣層多相系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，揭示了微錐陣列通過高效轉(zhuǎn)化氣泡動(dòng)能為氣層表面能從而主導(dǎo)整體排水動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵機(jī)制。

上述機(jī)制能否持續(xù)有效取決于氣層在液膜排水壓力下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。本研究建立了基于錐體幾何、彎液面曲率半徑、本征疏水角的臨界壓力判據(jù)，確定了實(shí)現(xiàn)超快氣泡捕獲的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)空間。基于該理論優(yōu)化后的微錐超親氣模型表面，在構(gòu)建的剪切流動(dòng)系統(tǒng)（Re=2083-5417）中實(shí)現(xiàn)了最高12小時(shí)的無損連續(xù)傳輸（圖3），結(jié)果支持基礎(chǔ)的微結(jié)構(gòu)超親氣表面在剪切流場中具有高效捕獲氣泡的應(yīng)用潛力，其性能極限仍有待進(jìn)一步探索和突破。