研究团队与发表信息：
本研究由北京航空航天大学化学学院生物灵敏感界面科学与技术重点实验室的Shuang Ben（本爽）、Yuzhen Ning（宁玉珍）、Zhihong Zhao（赵志宏）、Qiang Li（李强）、Xudong Zhang（张旭东）、Lei Jiang（江雷）和Kesong Liu（刘克松）共同完成，发表于Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）期刊2022年第32卷，论文标题为《水下超疏气磁性响应微纤毛阵列对气泡的定向连续操控》（”Underwater Directional and Continuous Manipulation of Gas Bubbles on Superaerophobic Magnetically Responsive Microcilia Array”）。
学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于界面科学与微流体技术交叉领域，聚焦水下气泡的定向操控问题。
研究动机：气泡在水下环境中普遍存在（如工业废水处理、电化学反应、生物医学成像等），但其运动主要受浮力主导，难以精确控制。传统超亲气（superaerophilic）材料虽能收集气泡，但存在可控性差、传输速度不可调、气泡易损伤等问题。
研究目标：受叶甲虫（Gastrophysa viridula）脚部吸附气泡的纤毛结构和鸽子地磁导航行为的启发，团队提出了一种超疏气（superaerophobic）磁性响应微纤毛阵列（FMMA），旨在实现气泡的非破坏性、可逆且速度可调的定向传输。
研究流程与方法
1. 超疏气FMMA表面的制备
- 模板法合成：
以低密度聚乙烯（PE）为模板，通过机械冲压形成规则锥形孔阵列，填充钴颗粒（Co MPs）后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物，经真空脱气、80℃固化后剥离模板，得到磁性微纤毛阵列。
- 超疏气修饰：
将FMMA浸入多巴胺（dopamine, DA）和原硅酸四乙酯（TEOS）的混合溶液（pH 8.5）中6小时，通过表面微/纳米层级结构的增加实现超疏气性（水下气泡接触角达151.2°±1.5°）。
2. 气泡操控性能测试
- 水平操控：
在倒置的FMMA表面注入气泡（体积1.44–14 μL），通过移动外部磁场（强度0.37 T）驱动微纤毛弯曲形成凹面，推动气泡定向移动。关键参数包括纤毛间距（l=0.5–1.1 mm）和高度（h=1.5–4.0 mm）。
- 倾斜表面操控：
验证FMMA在倾角≤15°时的双向操控能力（对抗浮力）及倾角≤40°时的单向操控（顺浮力方向）。
- 磁控速度调节：
通过调整磁场移动速度（0–45.3 mm/s）实现气泡传输速度的实时调控。
3. 关键结构参数优化
- 纤毛间距（l）：当l>1.1 mm时，气泡会陷入纤毛间隙；l<0.5 mm时纤毛相互干扰。
- 纤毛高度（h）：h<1.5 mm时响应磁场能力不足，h>4.0 mm时纤毛易塌陷。实验确定最佳条件为0.5 mm ≤ l ≤ 1.1 mm且1.5 mm ≤ h ≤ 4.0 mm。
4. 应用演示
- 气泡融合实验：通过磁场控制两个气泡接触并融合为更大气泡。
- 电化学开关：将FMMA集成至电路，利用气泡覆盖电极控制灯泡亮灭，验证其在微流体反应中的潜在应用。
主要结果与逻辑链
- 超低粘附性：FMMA表面气泡粘附力仅34.7±1.7 μN（施加磁场后微增至41.2±2.0 μN），确保非破坏性操控。
- 磁场响应机制：微纤毛阵列在磁场下可逆弯曲，形成动态凹面驱动气泡移动（图4f-i）。
- 尺寸适应性：气泡直径需≥2.5倍纤毛间距（dbubble≥2.5l）以避免被纤毛穿刺。
- 最大传输速度：达45.3±1.0 mm/s，远优于传统基于Laplace压力差的驱动方法。
结论与价值
科学价值：
- 提出首个结合超疏气性与磁场响应的气泡操控策略，突破了传统超亲气材料的局限性。
- 揭示了微纤毛结构参数与气泡操控性能的定量关系（如dbubble≥2.5l）。
应用价值：
- 为微流体反应（如电化学催化、靶向给药）提供精准气泡控制手段。
- 可扩展至工业设备防气泡腐蚀、废水处理等领域。
研究亮点
- 仿生设计创新：融合叶甲虫纤毛结构与鸽子磁导航行为，实现多物理场协同调控。
- 性能突破：同时解决气泡操控的“非破坏性”“可逆性”“速度可调”三大难题。
- 参数普适性：提出的结构参数优化模型（l、h、dbubble关系）具有普适指导意义。
其他有价值内容
- pH稳定性：FMMA在酸碱环境中（pH 1–14）均保持稳定操控性能。
- 能量效率：仅需弱磁场（≥6.22 mT）即可驱动，无需额外能源输入。