鑒于此，大連理工大學(xué)張淑芬教授和伊利諾伊大學(xué)香檳分校化學(xué)與生物分子工程系的楊宏（Hong Yang）教授合作，以潤(rùn)濕性控制的形狀記憶3D反蛋白石和2D碗狀光子晶體作為大孔載體，引入活性二氧化錳，通過(guò)跟蹤過(guò)氧化氫的催化析氧，在一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中便可直觀地分析氣泡的產(chǎn)生、生長(zhǎng)、聚結(jié)、破裂和漂浮過(guò)程。

圖 1. a)大孔材料表面氣泡演化示意圖; b) 壓力誘導(dǎo)圖案化后氣泡演化示意圖。

氣泡的演化伴隨著氣液交換，導(dǎo)致薄膜體系有效折射率的變化，從而引起結(jié)構(gòu)顏色的紅移或藍(lán)移。因此，氣泡演化和相應(yīng)的氣液交換可以通過(guò)結(jié)構(gòu)色進(jìn)一步被揭示。當(dāng)薄膜浸入30% 過(guò)氧化氫溶液中時(shí)，由于有效折射率的增加，局部潤(rùn)濕引起結(jié)構(gòu)色紅移。與此同時(shí)，過(guò)氧化氫穿過(guò)光子晶體與下表面的活性二氧化錳接觸，觸發(fā)催化析氧，氧氣穿過(guò)大孔在上表面成核并聚集，形成附著氣泡。隨著氧氣泡的富集，氣泡不斷生長(zhǎng)。由拉普拉斯壓力觸發(fā)的氣液交換使相應(yīng)的反蛋白石的有效折射率降低，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)顏色的藍(lán)移。氣泡破裂或漂浮后，液體再滲透到相應(yīng)的大孔中，由于有效折射率的增加而再次導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色紅移。

圖 2.大孔材料表面氣泡演化過(guò)程的光學(xué)顯微照片和數(shù)碼照片

圖 3.壓力編碼前后大孔材料表面氣泡演化過(guò)程中相應(yīng)的光譜、粘附力以及析氧量

氣泡演化過(guò)程中，受表面潤(rùn)濕性的調(diào)控，結(jié)構(gòu)色紅移或藍(lán)移程度直觀的反映了大孔材料內(nèi)的氣液交換強(qiáng)度。通過(guò)壓力誘導(dǎo)大孔變形可以有效的調(diào)節(jié)3D反蛋白石和2D碗狀光子晶體的表面浸潤(rùn)性，從而調(diào)控氣液交換強(qiáng)度以及氣泡粘附力。

圖 4.壓力編碼前后3D反蛋白石和2D碗狀光子晶體表面微結(jié)構(gòu)的變化

圖 5.壓力編碼3D反蛋白石相關(guān)的反射光譜以及2D碗狀光子晶體氣泡浸潤(rùn)性的變化

對(duì)于不同潤(rùn)濕性液體，為了觀察氣泡的演化過(guò)程，復(fù)合膜應(yīng)該具備可調(diào)節(jié)的顏色對(duì)比度。壓力引起的大孔變形調(diào)節(jié)了表面潤(rùn)濕性，從而在過(guò)氧化氫溶液中增強(qiáng)了氣泡覆蓋區(qū)域與背景的顏色對(duì)比度。因此，它可以用于不同濃度過(guò)氧化氫溶液中氣泡的演化分析，進(jìn)一步可推廣為不同表面張力的溶液體系。此外，壓力誘導(dǎo)的大孔變形可以通過(guò)乙醇潤(rùn)濕得到恢復(fù)。

圖 6.壓力編碼后3D反蛋白石表面的氣泡演化過(guò)程

對(duì)于2D碗狀光子晶體，表面納米結(jié)構(gòu)的變形賦予了氣泡的可操作性，并調(diào)節(jié)了氧氣的析出速率。碗的可逆變形，可實(shí)現(xiàn)氣泡附著與反附著的切換。它有效地提高了我們對(duì)氣泡演化過(guò)程的理解，并在信息編碼、催化、膜科學(xué)、結(jié)構(gòu)電極和流體傳質(zhì)方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖 7.壓力編碼后2D碗狀光子晶體表面的氣泡操縱過(guò)程

相關(guān)成果近日發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.130859。論文的通訊作者為大連理工大學(xué)張淑芬教授，第一作者為化工學(xué)院博士生齊勇。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472102444X

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