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ICM论文 | 厦门大学侯旭教授团队:电响应液体门控系统引领微气泡生成技术革新

已有 542 次阅读 2024-6-7 10:15 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM应用为导向的高水平创新研究

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  • 文章导读

微气泡因其高比表面积、自压缩特性及出色的传质效率,在多个行业中具有广泛应用。然而,传统的微气泡生成方法往往缺乏原位动态控制的能力

近期,厦门大学侯旭教授团队研发了一种名为电响应液体门控系统(ERLGS)的新型技术,在微气泡生成领域取得了突破性进展。ERLGS通过电场与阴离子表面活性剂的巧妙结合,实现了对微气泡生成的主动控制。该系统通过调节电势,动态控制阴离子表面活性剂在固-液界面的吸附和脱附,进而精确调节固-液-气三相界面的相互作用,实现对微气泡尺寸的原位调控。实验证明,ERLGS能够实现近一个数量级的气泡尺寸变化,为微气泡生成技术的进一步发展提供了新的思路。

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图文摘要: 用于微气泡可控制备的电响应液体门控系统

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials,题为:Electrostatically responsive liquid gating system for controlled microbubble generation。欢迎扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”免费阅读、下载!

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https://doi.org/10.1039/D4IM00037D

  • 本文亮点

★ 基于液体门控技术开发了一种电响应液体门控系统(ERLGS);

★ 通过调控电位,动态控制阴离子表面活性剂在固-液界面的吸附和脱附行为,从而快速调节膜表面润湿性质;

★ 展示了ERLGS动态控制气泡大小的能力,能够实现近一个数量级的气泡尺寸变化。

  • 图文解读

1. 电响应液体门控系统

研究人员首先将固体微孔膜与阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液复合,构筑了电响应液体门控系统(ERLGS)。该系统创新性地利用电势控制阴离子表面活性剂在固-液界面的吸附和脱附行为,从而快速改变膜表面的润湿性,实现对气泡产生的主动原位控制。

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图1. 电响应液体门控系统示意图

2. 机理表征

微分电容曲线显示通过调控电位可以精确调节膜表面的电荷。石英晶体微天平实验显示开路条件下十二烷基硫酸根离子(DS-)在膜表面的吸附行为。表面增强拉曼光谱技术显示通过对电位进行精确控制,可以有效地操纵DS-在膜表面的静电吸附与脱附行为,从而实现对膜材料表面润湿性质的调节,使得表面对气泡的粘附力不同。

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图2. (a)微分电容曲线,(b)石英晶体微天平实验,(c)表面增强拉曼散射光谱图,(d)气泡粘附力

3. 气泡的原位生长过程

研究人员通过高速摄像机观察了不同状态下ERLGS产生气泡的原位生长过程。结果表明,膜表面润湿性决定了气泡的生长模式,从而影响其尺寸,并能够实现近一个数量级的气泡尺寸变化。在吸附态下,气泡通过建立远大于孔径的接触基而发展,气泡尺寸与孔径无关;而在脱附态下,接触基被限制于孔口边缘,孔径大小决定了气泡尺寸。此外,脱附态下气泡的生长时间远远短于吸附态。

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图3. (a)吸附态和(b)脱附态下气泡的原位生长过程

4. 微气泡可控制备性能 

ERLGS显示了优异的可控制备微气泡的性能。对于不同孔径的ERLGS,在吸附态下,气泡的尺寸基本不随孔径变化而变化;而在脱附态下,气泡的尺寸随着孔径的增加而增加,且通过平衡气泡脱离时所受到的浮力和表面张力,可以有效预测气泡尺寸随着孔径的变化趋势。此外,当SDS浓度不同时,脱附态下气泡的尺寸基本不随浓度变化,而吸附态下气泡的尺寸随着浓度的增加而显著减小,这是由于吸附态下气泡的生长时间较长,表面活性剂能吸附在气泡表面,有效降低表面张力,从而减小气泡尺寸。这都是由不同状态下气泡的生长模式所决定的。

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图4. (a)不同孔径ERLGS产生气泡的尺寸,(b)脱附态下气泡尺寸随孔径变化趋势,(c)ERLGS的平衡跨膜压强,

(d)不同浓度ERLGS产生气泡的尺寸

5. 阴离子表面活性剂的可调谐性

使用非表面活性剂盐NaBr和非离子表面活性剂MEGA-10两种对照进行了对比实验,证明了使用阴离子表面活性剂就有更大范围的可调控性,这源于其两亲性和导电性的协同作用

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图5. 不同溶液的(a)电导率和表面张力,(b)不同电势下的接触角,(c)不同状态下的平衡跨膜压强,

(d)不同状态下产生气泡的尺寸

  • 总结与展望

本文基于液体门控技术开发了一种电响应液体门控系统(ERLGS)。利用电场和阴离子表面活性剂,ERLGS展示了通过操纵固-液吸/脱附来精确调节固-液-气三相界面的相互作用,进而动态控制气泡大小的能力,并能够实现近一个数量级的气泡尺寸变化。该工作为微气泡制备技术的开发提供了有益的探索。

撰稿:原文作者

排版:ICM编辑部

文章信息

G. Zeng, Y. Zhang, Z. Fang, L. Yu, Y. Zhang, S. Wang and X. Hou, Electrostatically responsive liquid gating system for controlled microbubble generation, Ind. Chem. Mater., 2024, https://doi.org/10.1039/D4IM00037D 

  • 作者简介

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通讯作者

侯旭,教授,厦门大学化学化工学院和物理科学与技术学院双聘教授。中国化学会会士、英国皇家化学学会会士、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室副主任、厦门大学电化学科学与工程研究所所长、闽江科学传播学者(首批)、福建省十佳科学传播人物等,曾获国际仿生工程协会杰出青年奖、全国创新争先奖、科学探索奖、中国十大新锐科技人物等重要奖项。目前,作为主编出版2本国际学术专著,并以第一或通讯作者在NatureScience, PNASNature Reviews Materials, Chemical Society ReviewsNational Science Review, Science AdvancesNature CommunicationsAdvanced MaterialsJournal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition等上发表论文100余篇,授权国内外专利30余项。现任Chinese Chemical Letters副主编、Industrial Chemistry & Materials期刊编委、欧洲研究理事会(ERC)评审员、加拿大自然科学与工程研究委员会评审员等。

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第一作者

曾国超,厦门大学化学化工学院物理化学专业在读硕士研究生。

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4. ICM 图文目录 | Volume 2 Issue 1

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2024.02.29-2024 Vol 2 Issue 1.png

▶▷ https://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/im#!issueid=im002001&type=current&issnprint=2755-2608 

  • 期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被美国化学文摘(CA)、DOAJ、Google Scholar检索,是中国科学院主管,中国科学院过程工程研究所主办,英国皇家化学会(RSC)全球出版发行的Open Access英文期刊,由中国科学院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础,以交叉为特色,以应用为导向,重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破,目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享!

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