微納結構表面的設計與制備是當代材料科學與工程的前沿領域，其重要性源于自然界與工業(yè)應用的雙重啟示。自然界中，荷葉的“出淤泥而不染"、鯊魚皮的減阻游動、蝴蝶翅膀的結構顯色等現象，皆源于其精妙的微納結構，這賦予了表面超疏水、減阻或光學調控等功能。這些自然界的智慧啟示著科學家：通過人工設計微納尺度的表面形貌，能夠突破材料本征性能的限制實現功能。

在這一背景下，摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術憑借其超高精度快速成型能力，能顯著加速研發(fā)進程，實現設計概念到物理樣件的高效轉化，從而大大縮短實驗迭代周期，實現功能屬性的定向創(chuàng)生與性能躍升。

微納3D打印技術對于深入探索微納結構的功能至關重要。例如，在船舶減阻、海洋甲烷富集及水處理等領域，如何高效捕獲氣泡以實現目標氣體的定向收集或氣相雜質清除，是核心問題之一。當前表面工程普遍采用結構精細化策略以提升捕獲性能：納米級表面構筑有助于維持Cassie-Baxter潤濕態(tài)、提升氣相比、引入納米級滑移邊界、誘導顯著拉普拉斯壓差，從而降低液膜內流動阻力并加速液膜破裂。然而實驗數據表明，當表面特征尺寸從微米級縮減至納米級，氣泡捕獲時間并未呈現相應數量級的降低，且在特定工況下，硅烷化疏水微結構表面表現出較納米粒子修飾表面更優(yōu)異的氣泡捕獲性能。

因此，盡管納米結構對氣泡接觸瞬間的破裂及后續(xù)吸收具有決定性影響，但從氣泡捕獲的全周期看，氣泡接近到初始接觸階段的液膜排水過程才是效率調控的關鍵環(huán)節(jié)——不同表面在該階段耗時差異可達兩個數量級以上。顯然，納米結構對此非直接接觸階段影響有限，而微米結構在排水主導階段對受限界面動力學與氣泡行為的調控機制還缺乏充分理解。

為探索這一機制，上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院張律文教授與合作者受絨毛結構存在差異的槐葉萍葉片啟發(fā)，他們觀察到上升氣泡會使捕獲的氣層發(fā)生大幅變形，將液膜迅速減薄至破裂閾值，因此，使用裝飾有納米顆粒的微錐陣列（這是獲得超親氣性的一個便捷示例）能夠實現低至約1毫秒的超快氣泡捕獲。由于三相接觸線的滯后運動，這種快速捕獲也非常穩(wěn)定，這啟發(fā)他們得出了確保氣層穩(wěn)定性和捕獲效率的臨界壓力準則。這種微納結構化表面還能在具有挑戰(zhàn)性的剪切流中實現長時間、無損耗的氣體傳輸，為多種系統(tǒng)提供了可靠的氣泡控制策略。

該研究以“Understanding ultrafast free-rising bubble capturing on nano/micro-structured superaerophilic surfaces"為題，發(fā)表在國際著名期刊《Nature Communications》上。

本研究構建了百微米級錐形結構/納米顆粒涂層的模型表面（圖1），其中百微米級錐形結構是采用摩方nanoArch® P140（精度：10μm）制備而成。該表面在寬參數范圍（氣泡無量綱直徑為1.6–3.5，接近速度為0.16–0.37m/s）內實現了平均1.5ms的超快捕獲，較納米顆粒修飾疏水平面提升47倍，達到了目前18種親氣表面里的優(yōu)異水平，而這些表面的特征尺寸較本模型表面顯著精細化。

在微米單元層面，通過激光共聚焦顯微鏡和搭建的熒光標記-界面反射裝置原位表征了微錐單元內氣液界面形貌，其界面曲率在三相線釘扎效應下達到納米涂層平板氣層的4倍；考慮釘扎效應建立的排水動力學模型進一步證實，該曲率增強導致液膜排水速率峰值達到自由界面的1.6倍，從而促使液膜快速達到臨界破裂厚度。由此明確了特征單元內氣液界面曲率增強與局部液膜加速減薄的協(xié)同效應是氣泡超快捕獲的核心機制。在宏觀陣列層面，粒子圖像測速（PIV）表征揭示了微錐陣列對近表面流場結構的調控作用，側渦環(huán)和尾渦強度提升約90%。通過建立該氣泡-液膜-氣層多相系統(tǒng)的能量轉換關系，揭示了微錐陣列通過高效轉化氣泡動能為氣層表面能從而主導整體排水動力學的關鍵機制。

上述機制能否持續(xù)有效取決于氣層在液膜排水壓力下的動態(tài)穩(wěn)定性。本研究建立了基于錐體幾何、彎液面曲率半徑、本征疏水角的臨界壓力判據，確定了實現超快氣泡捕獲的微結構優(yōu)化參數空間。基于該理論優(yōu)化后的微錐超親氣模型表面，在構建的剪切流動系統(tǒng)（Re=2083-5417）中實現了最高12小時的無損連續(xù)傳輸（圖3），結果支持基礎的微結構超親氣表面在剪切流場中具有高效捕獲氣泡的應用潛力，其性能極限仍有待進一步探索和突破。