CN110745897B - 一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法，包括至少两个锥形柱；所述锥形柱首尾依次相连并同轴排列形成条状的锥形刺；所述锥形刺的表面设有纳米柱阵列，所述纳米柱的表面镀有第一贵金属层，所述第一贵金属层的表面附着有疏水层。水基团附着在纳米柱阵列上形成疏水层，由于毛细作用，液体不能进入纳米柱阵列的间隙中，因此形成了空气薄膜，这造成了锥形刺的表面的具有疏水亲气的特性，这一特性使水下气泡粘附在锥形刺的表面上，并在拉普拉斯力的作用下，从单节锥形柱的直径小端向直径大端移动，并跨过两节锥形之间的连接处，实现自发定向长距离连续传输气泡。

Description

一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法
技术领域
本发明涉及气泡收集技术领域，尤其涉及一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法。
背景技术
生物经过亿万年自然选择，进化出具有非常优异水汽冷凝性能的微纳复合结构，如沙漠中的仙人掌刺、甲虫表面、蜘蛛丝等，这些生物结构能从潮湿空气或雾气中凝聚并收集水滴，具有非常优异的水汽凝聚与收集特性；并且这些生物结构具有的锥形几何形貌，使其表面的液滴受到拉普拉斯压力差的作用，具有自发定向连续传输液滴的能力。这一奇特的现象为水汽收集技术研究与应用提供了新思路。借鉴上述生物微纳结构优异的水汽凝聚和自发定向连续特性，开展在液体环境中收集与传输气泡的微纳复合结构制备研究，逐渐成为了研究热点。
水下常常会产生少量气泡，在某些领域中，气泡的存在是不利的，如：在有气体生成的电化学反应中，粘附在电极的气泡会阻碍电极与反应物之间的接触，从而大大降低了电化学反应的速率；微流控装置中的气泡，会增大液体之间的流动损耗，降低流动速度，甚至会堵塞微流控装置；水下作业时，粘附在潜水镜上的气泡，会引起人视觉模糊……，因此需要一种方法去除水中的气泡，减少气泡在相关领域的不良影响。
在另一些领域中，水下气泡的收集也显得至关重要，如工业上氢气的制取方法有电解水和电解饱和氯化钠溶液，通过以上方法产生的氢气，在空气中收集时，氢气会与其他气体混合导致不易收集。而在水下收集则难以捕捉气泡，也不方便收集；还有水下有害气体的泄露，也需要将这些有害气体收集起来集中处理。因此同样需要一种方法来收集水下气泡；目前并没有一种可以在水下连续传输气泡的方案。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法，以解决在水下实现气泡的自发连续长距离传输的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构，包括至少两个锥形柱；所述锥形柱首尾依次相连并同轴排列形成条状的锥形刺；所述锥形刺的表面设有纳米柱阵列，所述纳米柱的表面镀有第一贵金属层，所述第一贵金属层的表面附着有疏水层。疏水基团附着在纳米柱阵列上形成疏水层，由于毛细作用，液体不能进入纳米柱阵列的间隙中，因此形成了空气薄膜，这造成了锥形刺的表面的具有疏水亲气的特性，这一特性使水下气泡粘附在锥形刺的表面上，并在拉普拉斯力的作用下，从单节锥形柱的直径小端向直径大端移动，并跨过两节锥形之间的连接处，实现自发定向长距离连续传输气泡。
具体地，所述锥形刺包括上半曲面与下半曲面，所述上半曲面镀有第二贵金属层，所述第二贵金属层覆盖于所述疏水层的外表面，所述疏水层覆盖于所述下半曲面的外表面。由于第二贵金属层覆盖了锥形刺的上半曲面的疏水层，且贵金属膜具有较为亲水的特性，所以此时锥形刺的上半曲面的润湿性表现为亲水疏气泡，下半曲面的润湿性表现为疏水亲气泡。将该具有连续锥度、交替疏水亲气泡的锥形刺放入有气泡的水中，气泡会粘附并紧贴着其中一节锥形柱的下半曲面传输，在传输过程中气泡体积会逐渐变大，当气泡传输到锥形柱连接处时，气泡受到的拉普拉斯力和浮力的分力会将气泡压向下一节锥形柱，实现锥形柱水平放置时，也能达到自发定向长距离连续传输气泡的目的。
具体地，所述第一贵金属层为金、银或铂中的一种或多种组合；所述第二贵金属层为金、银或铂中的一种或多种组合。金、银、铂均可以和疏水修饰液反应，在这些金属膜上形成疏水基团。
具体地，所述锥形刺的成分为铜，且纯度为99.999％及以上，所述锥形刺的长度为10-500mm，每一节所述锥形柱的长度为0.4-29mm，半顶角为1-20°。对锥形柱的尺寸参数进行限定可进一步保证气泡能自发的向所述锥形刺一端传输。铜丝纯度99.999％是为了使加工后的表面均匀，锥形刺的总长度等于气泡可传输的距离，各节锥形柱采用上述的长度和半顶角大小参数使气泡能够在锥形刺的表面连续传输。
一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：先对所述锥形刺进行表面清洗，表面清洗后将锥形刺放入纳米结构生长溶液中反应，反应时间为T1，在锥形刺的表面长出一层纳米柱阵列；
步骤2：将所述锥形刺清洗干净，接着使用干燥的氮气流对锥形刺进行干燥；然后在锥形刺的表面镀贵金属，形成第一贵金属层，第一次镀膜时间为T2；
步骤3、将所述锥形刺放入疏水修饰液中浸泡，浸泡时间为T3；浸泡完毕后，将所述锥形刺从疏水修饰液中取出，然后使用去离子水清洗，再用干燥的氮气流干燥。
具体地，将步骤3所得到的所述锥形刺划分为上半曲面与下半曲面，对所述上半曲面镀贵金属，形成第二贵金属层，第二次镀膜时间为T4。
具体地，所述步骤1中所述表面清洗包括以下步骤：
步骤1a：将锥形刺放入纯度为98％的无水乙醇中进行超声波清洗；
步骤1b：将锥形刺从无水乙醇中取出，然后放入浓度为1mol/L的稀盐酸中进行超声波清洗；
步骤1c：将锥形刺放入电阻率为18.2MΩ·cm的去离子水中进行超声波清洗。
具体地，所述锥形刺的成分为铜，且纯度为99.999％及以上，所述纳米结构生长溶液为氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液，其中氢氧化钠溶液的浓度为8-11mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为0.5-2mol/L；按体积计，所述纳米结构生长溶液混合比例为：氢氧化钠溶液4份、过硫酸铵溶液2份和离子水9份，所述锥形刺在所述纳米结构生长溶液中的反应时间T1为0.5-30min。
具体地，所述疏水修饰液为正十二硫醇的丙酮溶液，所述正十二硫醇的丙酮溶液的浓度为0.1-1.0mmol/L，所述锥形刺在所述疏水修饰液中的浸泡时间为8-12h。
具体地，所述步骤2中的贵金属为金、银或铂中的一种或多种组合，所述步骤2中的第一次镀膜时间T2为0.5-5min；所述步骤4中的贵金属为金、银或铂中的一种或多种组合，所述步骤4中的第二次镀膜时间T4为20-40min。
所述加工方法巧妙地利用铜、氢氧化钠与过硫酸铵的反应，在锥形刺的表面生长出纳米柱阵列，然后对其进行镀膜，将表面镀有第一贵金属层的锥形刺放入疏水修饰液中，使疏水基团附着于纳米柱阵列上，由于毛细作用，液体不能进入纳米柱阵列的间隙中，因此形成了空气薄膜，这造成了锥形刺的表面具有疏水亲气的特性，且纳米柱阵列之间存在间隙，使得气泡可以在纳米柱阵列中移动，这一特性使水下气泡粘附在锥形刺的表面，并在拉普拉斯力的作用下，从单节锥形直径小端向直径大端移动，跨过两节锥形之间的连接处，实现自发定向长距离连续传输气泡；
另外，对锥形刺的上半曲面镀有第二贵金属层，利用第二贵金属层覆盖了锥形刺的上半曲面上的疏水基团，加上贵金属具有亲水的特性，所以此时锥形刺的上半曲面表现为亲水疏气，使锥形刺形成了具有连续锥度且交替疏水亲气泡的结构，将锥形刺放入具有气泡的水中，气泡会粘附并紧贴着其中一节锥形刺的下半曲面传输，在传输过程中气泡体积会逐渐变大，当气泡传输到锥形柱的连接处时，气泡受到的拉普拉斯力和重力的分力会将气泡压向下一节锥形柱，实现锥形柱在水平放置时，也能达到自发定向长距离连续传输气泡的目的。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是锥形刺的表面均匀修饰的结构示意图；
图2是锥形刺的上半曲面与下半曲面分别修饰的结构示意图；
图3是表面均匀修饰的锥形刺传输气泡的示意图；
图4是上半曲面与下半曲面分别修饰的锥形刺传输气泡的示意图；
附图中：100-锥形刺、101-锥形柱、102-纳米柱阵列、103-上半曲面、104-下半曲面、105-第二贵金属层、200-气泡、300-空气薄膜。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构，如图1-4所示,包括至少两个锥形柱101；所述锥形柱101首尾依次相连并同轴排列形成条状的锥形刺100；所述锥形刺100的表面设有纳米柱阵列102，所述纳米柱的表面镀有第一贵金属层，所述第一贵金属层的表面附着有疏水层。
具体地，如图2和4所示,所述锥形刺100包括上半曲面103与下半曲面104，所述上半曲面103镀有第二贵金属层105，所述第二贵金属层105覆盖于所述疏水层的外表面，所述疏水层覆盖于所述下半曲面104的外表面。
具体地，所述第一贵金属层为金、银或铂中的一种或多种组合；所述第二贵金属层105为金、银或铂中的一种或多种组合。
具体地，所述锥形刺100的成分为铜，且纯度为99.999％及以上，所述锥形刺100的长度为10-500mm，每一节所述锥形柱101的长度为0.4-29mm，半顶角为1-20°。
一种在水下实现连续传输气泡200的仿生结构的加工方法，
实施例1：
步骤1：先将锥形刺100依次放入98％的无水乙醇、1mol/L的稀盐酸和电阻率为18.2MΩ·cm的去离子水中进行超声波清洗，然后将锥形刺100放入纳米结构生长溶液中反应0.5-30min，在锥形刺100的表面长出一层纳米柱阵列102；
步骤2：用去离子水将锥形刺100清洗干净，再用干燥的氮气流对锥形刺100进行干燥；此时锥形刺100表面的润湿性表现为亲水。然后将长出纳米柱阵列102后的锥形刺100表面镀贵金属膜，形成第一贵金属层，第一次镀膜时间为0.5-5min。
步骤3：对锥形刺100的疏水亲气泡200修饰；将镀膜后的锥形刺100放入疏水修饰液中浸泡时间8-12h后取出，然后用去离子水将锥形刺100清洗干净，再用干燥的氮气流对锥形刺100进行干燥。
具体地，所述步骤1中锥形刺100成分为铜，且纯度为99.999％及以上，锥形刺100的总长度为10-500mm；各节锥形柱101的长度为0.4-29mm，半顶角为1-20°；
具体地，所述步骤1中纳米结构生长溶液的为氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液；其中氢氧化钠溶液的浓度为10mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为1mol/L，混合溶液的配比为氢氧化钠溶液4ml、过硫酸铵溶液2ml与去离子水9ml。
具体地，所述步骤1中贵金属是金、银、铂中的一种；
具体地，所述步骤2中疏水修饰液是正十二硫醇的丙酮溶液，其中，正十二硫醇浓度为0.25mmol/L。正十二硫醇可与金、银或铂等贵金属反应，在其表面产生疏水基团。将锥形刺放入正十二硫醇的丙酮溶液中，正十二硫醇的疏水基团附着在锥形刺的表面，在其表面形疏水层。
如图3所示,疏水修饰液中的疏水基团附着在纳米柱状微观结构上，由于毛细作用，液体不能进入纳米柱状结构的间隙中，因此形成了空气薄膜300，这造成了锥形刺100的表面的疏水亲气特性。这一特性使水下气泡200粘附在锥形刺100表面，并在拉普拉斯力的作用下，从单节锥形直径小端向直径大端移动，跨过两节锥形之间的连接处，实现自发定向长距离连续传输气泡200。
实施例2：
步骤1：先将锥形刺100依次放入98％的无水乙醇、1mol/L的稀盐酸和电阻率为18.2MΩ·cm的去离子水中进行超声波清洗，然后将锥形刺100放入纳米结构生长溶液中反应0.5-30min，在锥形刺100的表面长出一层纳米柱阵列102；
步骤2：用去离子水将锥形刺100清洗干净，再用干燥的氮气流对锥形刺100进行干燥；此时锥形刺100表面的润湿性表现为亲水。然后将长出纳米柱阵列102后的锥形刺100表面镀贵金属膜，形成第一贵金属层，第一次镀膜时间为0.5-5min；
步骤3：对锥形刺100的疏水亲气泡200修饰；将镀膜后的锥形刺100放入疏水修饰液中浸泡时间8-12h后取出，然后用去离子水将锥形刺100清洗干净，再用干燥的氮气流对锥形刺100进行干燥；
步骤4：将步骤3所得到的所述锥形刺100划分为上半曲面103与下半曲面104，对所述上半曲面103镀贵金属膜，形成第二贵金属层105，第二次镀膜时间为20-40min。
具体地，所述步骤1中锥形刺100成分为铜，且纯度为99.999％及以上，锥形刺100的总长度为10-500mm；各节锥形柱101的长度为0.4-29mm，半顶角为1-20°；
具体地，所述步骤1中纳米结构生长溶液的为氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液；其中氢氧化钠溶液的浓度为10mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为1mol/L，混合溶液的配比为氢氧化钠溶液4ml、过硫酸铵溶液2ml与去离子水9ml。
具体地，在步骤1中，贵金属是金、银、铂中的一种或多种组合；在步骤4中，贵金属是金、银、铂中的一种或多种组合；
具体地，所述步骤2中疏水修饰液是正十二硫醇的丙酮溶液，其中，正十二硫醇浓度为0.25mmol/L。
疏水修饰液中的疏水基团附着在纳米柱阵列102上，由于毛细作用，液体不能进入纳米柱阵列102的间隙中，因此形成了空气薄膜300，这造成了锥形刺100的表面的疏水亲气特性。如图4所示,将疏水修饰后的锥形刺100划分为上半曲面103和下半曲面104，对上半曲面103镀贵金属膜；由于第二贵金属层105覆盖了锥形刺上半曲面的疏水基团，且贵金属膜具有较为亲水的特性，所以此时锥形刺上半曲面的润湿性表现为亲水疏气泡200，下半曲面104的润湿性表现为疏水亲气泡200。将该具有连续锥度、交替疏水亲气泡200的锥形刺100放入有气泡200的水中，气泡200会粘附并紧贴着其中一节锥形柱101的下半曲面104传输，在传输过程中气泡200体积会逐渐变大，当气泡200传输到锥形柱101连接处，气泡200受到的拉普拉斯力和浮力的分力会将气泡200压向下一节锥形柱101，实现锥形柱101水平放置时，也能达到自发定向长距离连续传输气泡200的目的。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构，其特征在于：包括至少两个锥形柱；所述锥形柱首尾依次相连并同轴排列形成条状的锥形刺；所述锥形刺的表面设有纳米柱阵列，所述纳米柱的表面镀有第一贵金属层，所述第一贵金属层的表面附着有疏水层；
所述锥形刺包括上半曲面与下半曲面，所述上半曲面镀有第二贵金属层，所述第二贵金属层覆盖于所述疏水层的外表面，所述疏水层覆盖于所述下半曲面的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构，其特征在于：所述第一贵金属层为金、银或铂中的一种或多种组合；所述第二贵金属层为金、银或铂中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构，其特征在于：所述锥形刺的成分为铜，且纯度为99.999％及以上，所述锥形刺的长度为10-500mm，每一节所述锥形柱的长度为0.4-29mm，半顶角为1-20°。
4.一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：先对锥形刺进行表面清洗，表面清洗后将锥形刺放入纳米结构生长溶液中反应，反应时间为T1，在锥形刺的表面长出一层纳米柱阵列；
步骤2：将所述锥形刺清洗干净，接着使用干燥的氮气流对锥形刺进行干燥；然后在锥形刺的表面镀贵金属，形成第一贵金属层，第一次镀膜时间为T2；
步骤3、将所述锥形刺放入疏水修饰液中浸泡，浸泡时间为T3；浸泡完毕后，将所述锥形刺从疏水修饰液中取出，然后使用去离子水清洗，再用干燥的氮气流干燥。
5.根据权利要求4所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于，还包括步骤4：将步骤3所得到的所述锥形刺划分为上半曲面与下半曲面，对所述上半曲面镀贵金属，形成第二贵金属层，第二次镀膜时间为T4。
6.根据权利要求4所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于：所述步骤1中所述表面清洗包括以下步骤：
步骤1a：将锥形刺放入纯度为98％的无水乙醇中进行超声波清洗；
步骤1b：将锥形刺从无水乙醇中取出，然后放入浓度为1mol/L的稀盐酸中进行超声波清洗；
步骤1c：将锥形刺放入电阻率为18.2MΩ·cm的去离子水中进行超声波清洗。
7.根据权利要求4所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于：所述锥形刺的成分为铜，且纯度为99.999％及以上，所述纳米结构生长溶液为氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液，其中氢氧化钠溶液的浓度为8-11mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为0.5-2mol/L；按体积计，所述纳米结构生长溶液混合比例为：氢氧化钠溶液4份、过硫酸铵溶液2份和离子水9份，所述锥形刺在所述纳米结构生长溶液中的反应时间T1为0.5-30min。
8.根据权利要求4所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于：所述疏水修饰液为正十二硫醇的丙酮溶液，所述正十二硫醇的丙酮溶液的浓度为0.1-1.0mmol/L，所述锥形刺在所述疏水修饰液中的浸泡时间为8-12h。
9.根据权利要求5所述的一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构的加工方法，其特征在于：所述步骤2中的贵金属为金、银或铂中的一种或多种组合，所述步骤2中的第一次镀膜时间T2为0.5-5min；所述步骤4中的贵金属为金、银或铂中的一种或多种组合，所述步骤4中的第二次镀膜时间T4为20-40min。
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