Hantering och användning av gas i vatten har breda tillämpningar inom energianvändning, kemisk tillverkning, miljöskydd, jordbruksuppfödning, mikrofluidchip och hälsovård. Möjligheten att driva undervattensbubblor att röra sig i riktning och kontinuerligt över en given sträcka via unika gradientgeometrier har framgångsrikt arkiverats, vilket öppnar utrymme för mer forskning om detta spännande ämne. I många fall är dock gradientgeometrin mikroskopisk och olämplig för att transportera gas på mikroskopnivå eftersom de flesta mikroskala gradientstrukturer ger den otillräckliga drivkraften. Detta gör självtransport under vattnet av bubblor och gaser på mikroskopisk nivå till en stor utmaning.

I en ny artikel publicerad i International Journal of Extreme Manufacturing , ett team av forskare, ledda av prof. Feng Chen från School of Electronic Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, Kina, har föreslagit en innovativ strategi för självtransport av gas under vattnet längs en femtosekund laserinducerad öppen superhydrofob yta med en mikrokanalbredd mindre än 100 µm. Mikrospåret med superhydrofoba och undervattens superaerofila mikro/nanostrukturer på dess innervägg kan inte vätas av vatten, så en ihålig mikrokanal bildas mellan substratet och vattnet när den spårstrukturerade ytan nedsänks i vatten. Gas kan fritt flöda längs undervattensmikrokanalen; det vill säga denna mikrokanal möjliggör gastransport i vatten. De superhydrofoba mikrospåren gör det möjligt att självtransportera bubblor och gaser på mikroskopisk nivå.

Femtosekund (10 ^{− 15} s) laserteknik har dykt upp som en lovande lösning för att förbereda ett sådant superhydrofobt mikrospår. Med hjälp av dess två nyckelfunktioner:extremt hög toppintensitet och ultrakort pulsbredd, har femtosekundlasrar blivit ett viktigt verktyg för modern extrem och ultraprecisionstillverkning. Femtosekundlaserbehandling har egenskaperna hög rumslig upplösning, liten värmepåverkad zon och beröringsfri tillverkning. I synnerhet kan femtosekundlasern ablatera nästan vilket material som helst, vilket resulterar i mikrostrukturer på materialets yta. Således är femtosekundlasern ett gångbart verktyg för att skapa superhydrofoba mikrostrukturer på materialytor, vilket är väsentligt för att förverkliga självtransport av gas på mikroskopisk nivå.

Hierarkiska mikro/nanostrukturer producerades lätt på det naturligt hydrofoba polytetrafluoreten (PTFE) substratet genom femtosekund laserbehandling, vilket gav PTFE-ytan utmärkt superhydrofobicitet och superaerofilicitet under vatten. De femtosekundlaserinducerade superhydrofoba och superaerofila mikrospåren under vattnet stöter kraftigt bort vatten och kan stödja gastransport under vattnet eftersom en ihålig mikrokanal bildas mellan PTFE-ytan och vattenmediet i vatten. Undervattensgas transporterades lätt genom denna ihåliga mikrokanal.

Intressant nog, när superhydrofoba mikrospår förbinder olika superhydrofoba regioner i vatten, överförs gasen spontant från en liten region till en stor region. En unik laserborrningsprocess kan också integrera mikrohålen i det superhydrofoba och undervattens superaerofila PTFE-arket.

Den asymmetriska morfologin hos de femtosekundlaserinducerade "Y"-formade mikrohålen och PTFE-arkets unika supervätbarhet på ytan tillät gasbubblorna att passera enkelriktat genom det porösa supervätande PTFE-arket (från sidan med små hål till sidan med stora hål). ) i vattnet.

Anti-flytkraft enkelriktad penetration uppnåddes; det vill säga gasen övervann bubblans flytkraft och självtransporterade nedåt. I likhet med en diod användes funktionen hos den enkelriktade gaspassagen i det supervätande porösa arket för att bestämma gasens transportriktning vid manipulering av undervattensgas, vilket förhindrar gasåterflöde.

Laplace-tryckskillnaden drev processerna av spontan gastransport och enkelriktad bubbelpassage. De superhydrofoba och undervattens superaerofila porösa arken användes också framgångsrikt för att separera vatten och gas baserat på beteendet hos självtransport av gas.

Professor Feng Chen (direktör för Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) och docent Jiale Yong har identifierat betydelsen av forskningen och de potentiella tillämpningarna av denna teknik (självtransport av undervattensgas) enligt följande:

"Hur kan man tänka sig att använda superhydrofoba mikrospår för gastransport?"

"Superhydrofoba mikrostrukturer har stor vattenavstötning, vilket gör att materialen kan stöta bort vätskor. Om ett mikrospår har superhydrofoba mikro/nanostrukturer på sin innervägg kommer mikrospåret inte att vätas av vatten eftersom den spårstrukturerade ytan är nedsänkt i vatten. Därför kan en ihålig mikrokanal bildas mellan substratet och vattenmediet. Denna mikrokanal möjliggör gastransport i vatten så att gas fritt kan strömma längs undervattensmikrokanalen. Femtosekundlasern kan enkelt tillverka ett sådant superhydrofobt mikrospår. Bredden på det laserinducerade mikrospåret bestämmer bredden av den ihåliga mikrokanalen, som är mindre än 100 μm, vilket gör det möjligt för oss att förverkliga självtransport av gas på mikroskopisk nivå."

"Varför användes femtosekundlaser för att förbereda ett sådant superhydrofobt mikrospår för självtransport av gas?"

"Lasern är en av de största uppfinningarna under den 20:e århundrade. På senare år har femtosekundlasern blivit ett viktigt verktyg för modern extrem och ultraprecisionstillverkning. Femtosekundlaserbehandling är en flexibel teknologi som direkt kan skriva superhydrofoba och undervattens superaerofila mikrospår på ytan av ett fast substrat och borra öppna mikrohål genom en tunn film. Dessutom kan spåret för de öppna mikrospåren och placeringen av de öppna mikrohålen utformas exakt av kontrollprogrammet under laserbehandling."

"Påverkar typerna av gas själva transporten av bubblor och gaser på mikroskopisk nivå?"

"Även om bara den vanliga luftbubblan har studerats, bör det noteras att drivkraften för gastransport inte involverar den kemiska sammansättningen av gasen. Därför är den manipulation av gas som rapporteras i denna artikel tillämplig på andra gaser så länge som de löses inte helt upp i motsvarande vätskor."

"Vilka är de potentiella tillämpningarna av tekniken för att uppnå självtransport och manipulation av bubblor/gas baserat på de femtosekundlaserskrivna superhydrofoba mikrospåren?"

"Vi tror att de rapporterade metoderna för att självtransportera gas i vatten längs femtosekundlaserstrukturerade superhydrofoba mikrokanaler kommer att öppna upp många nya applikationer inom energianvändning, kemisk tillverkning, miljöskydd, jordbruksuppfödning, mikrofluidchips, hälsovård, etc."

Forskare påpekar också att denna strategi för självtransporterande gas baserad på de superhydrofoba mikrospåren, även om den är validerad, fortfarande är i sin linda. Inverkan av olika faktorer (såsom storleken på mikrospåren, kanalens längd och gasens volym) på gastransportens prestanda behöver ytterligare forskning. De praktiska tillämpningarna baserade på gassjälvtransportfunktionen behöver också utvecklas. + Utforska vidare

Ny teknik kan hjälpa till att stöta bort vatten, rädda liv genom förbättrad medicinsk utrustning