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

通讯作者：侯旭*

单位：厦门大学

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。

基于此，厦门大学侯旭教授团队在期刊Industrial Chemistry & Materials上发表题为“Electrostatically responsive liquid gating system for controlled microbubble generation”的论文，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。

图1. 用于微气泡可控制备的电响应液体门控系统

作者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。

图2. 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。

图3. （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

作者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。

图4. （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。

图5. （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。

图6. 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。

6. 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。

Electrostatically responsive liquid gating system for controlled microbubble generation

侯旭教授简介：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。2020年，技术团队曾受邀参加中央电视台CCTV-10科教频道的《百家讲坛》栏目，曾被中央电视台CCTV-1、《科技日报》等多家媒体报道。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Nature, Science, PNAS, Nature Reviews Materials, Chemical Society Reviews, National Science Review, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, Journal 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。