水中微油滴動態(tài)行為的實時檢測不僅可以避免含油污水堵塞海洋探測器，及時發(fā)現(xiàn)水下裝備油泄漏，而且有助于建立新型微油滴檢測體系。而傳統(tǒng)的檢測方法無法及時監(jiān)測廢油污水。

基于此，江蘇大學(xué)張忠強教授團隊（宋云云第一作者）在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了題為“Phase Replacement Enables Self-Detectable and High-Efficiency Oil-Adsorbing Bioinspired Coupled Structure"一項創(chuàng)新研究，通過光固化打印技術(shù)制備了一種由仿生耦合錐形微柱組成的電氣化系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠通過油-水-氣相位取代機制，實現(xiàn)超快水下油滴運輸（135 mm/s）。同時模擬“液控門"，利用乙醇和油滴控制水下電路通斷，建立了一個能夠高效吸附、運輸和自我檢測油污染的集成系統(tǒng)，如圖1所示。

相取代機制實現(xiàn)油滴快速輸運

較大的水體阻力導(dǎo)致超疏水尖部結(jié)構(gòu)吸附和輸運油滴速度較慢，相比之下驅(qū)動油滴在空氣中運動是否會大大減小阻力？在尖部結(jié)構(gòu)上構(gòu)建穩(wěn)定的超厚氣膜，通過氣膜誘導(dǎo)吸附微油滴將會實現(xiàn)其超快輸運。研究團隊受到仙人掌、瓶子草和彈尾蟲啟發(fā)，利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140 Pro，精度：10 μm）制備仿生耦合尖部結(jié)構(gòu)，噴涂超雙疏涂層后得到超雙疏仿生耦合尖部結(jié)構(gòu)（BCCM）（如圖2所示），在水下捕獲一層較厚的氣膜。當(dāng)油滴被吸附到尖部結(jié)構(gòu)上，原來的油-水界面會被油-氣界面所取代，油滴輸運的阻力大大減少，實現(xiàn)了超快的微油滴輸運（如圖3和圖4所示）。

油滴自檢測系統(tǒng)

利用相替換機制，結(jié)合油滴的絕緣特性，研究團隊模擬海水環(huán)境，在水下構(gòu)建了導(dǎo)線與燈泡的簡單電路，并將仿生耦合尖部結(jié)構(gòu)作為電路開關(guān)，類似“液控門"，依據(jù)燈泡的亮滅檢測微油滴的運動軌跡和位置，實現(xiàn)微油滴動態(tài)性微的自檢測（如圖5、圖6和圖7所示）。

總結(jié)與展望

受仙人掌刺、瓶子草微通道結(jié)構(gòu)和彈尾蟲蘑菇狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究構(gòu)建了一套能夠通過穩(wěn)定氣膜吸附、輸送和自檢測微油滴的集成系統(tǒng)。蘑菇狀結(jié)構(gòu)進一步提高了氣膜厚度和穩(wěn)定性，將運動界面從油-水界面轉(zhuǎn)變?yōu)橛?氣界面，顯著降低了阻力，實現(xiàn)了氣膜誘導(dǎo)微油滴的超高速輸送。BCCM通過油相替代氣相實現(xiàn)自檢測，如同“液控門"一樣，通過吸附油和乙醇來控制智能電路的通斷。可對作業(yè)區(qū)域水體中的油污染進行現(xiàn)場監(jiān)測和采集，通過實時監(jiān)測微油滴的運動軌跡和位置，可以檢測水下原油管道泄漏以及關(guān)鍵海底設(shè)備的潤滑油泄漏。