气泡捕捉表面有助于去除泡沫

在许多工业过程中，例如在生产燃料或药物的生物反应器中，泡沫可能会阻碍。泡沫气泡会占用大量空间，从而限制了可用于制造产品的体积，有时会堵塞管道和阀门或破坏活细胞。公司估计每年在消泡剂化学添加剂上花费30亿美元，但这会影响产品的纯度，并且可能需要额外的处理步骤才能将其去除。

现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种简单，廉价，完全被动的系统，该系统使用特殊纹理的网眼吸引气泡片材，使气泡以形成时的速度迅速塌陷，从而减少或消除泡沫的产生。最近的毕业生Leonid Rapoport博士’18，来访的学生Theo Emmerich和机械工程教授Kripa Varanasi 的论文《高级材料接口》（Advanced Materials Interfaces）中描述了这种新工艺。

新系统使用被研究人员称为“需氧性”的表面，该表面吸引和排出气泡或气泡的方式与亲水性（吸引水）表面导致水滴附着在表面，散布并掉落的方式几乎相同，瓦拉纳西解释。

他说，工业过程中“泡沫无处不在”，包括啤酒酿造，造纸，油气生产和加工，生物燃料生产，洗发水和化妆品生产以及化学加工。

另外，“这是细胞培养或生物反应器的主要挑战之一，”他补充说。为了促进细胞生长，通常将各种气体扩散通过水或其他液体介质。但这会导致泡沫堆积，并且当微小的气泡破裂时，它们会产生剪切力，从而破坏或杀死细胞，因此控制泡沫至关重要。

解决泡沫问题的常用方法是添加诸如乙二醇或酒精之类的化学物质，然后通常需要再次将其过滤掉。但这增加了成本和额外的处理步骤，并且会影响产品的化学性质。因此，该团队问：“您如何在不添加化学品的情况下摆脱泡沫？那是我们的挑战，”瓦拉纳西说。

为了解决这个问题，他们制作了高速视频，以研究气泡撞击表面时的反应。他们发现气泡趋向于像橡皮球一样反弹，反弹几次后最终粘在原位，就像液滴撞击表面时一样，只是倒过来。（气泡在上升，因此它们向下反弹。）

Rapoport说：“为了有效捕获撞击的气泡，我们必须了解如何将其与表面的液膜分开。” “而且我们必须从第一个平方开始，因为甚至没有一个确定的指标来衡量表面在捕获撞击气泡方面的表现。最终，我们能够理解导致气泡反弹的背后的物理原理，并且这种理解推动了设计过程。”

该团队提出了一种平面设备，该设备具有一组精心设计的各种尺寸尺度的表面纹理。调整了表面，使气泡立即附着而不会反弹，并迅速散开并消散，为下一个气泡腾出空间，而不是作为泡沫堆积。

Emmerich说：“迅速捕获气泡并控制泡沫的关键是三层系统，其功能逐渐细化。” 这些功能有助于沿材料表面捕获非常薄的空气层。这种被称为腹甲的表面与潜水鸟身上一些羽毛的质地相似，有助于保持动物在水下的干燥。在这种情况下，the胶有助于使气泡粘在表面并消散。

瓦拉纳西说，最终的结果是将气泡粘附到表面所需的时间减少了一百倍。在测试中，弹跳时间从几百毫秒减少到了几毫秒。

为了在实验室中验证该想法，该团队制造了一个包含气泡捕捉表面的设备，并将其插入烧杯中，烧杯中冒出气泡。他们将那个烧杯放在一个相同的烧杯旁边，该烧杯装有泡沫泡沫，泡沫泡沫的大小相同，但没有纹理材料。在具有气泡捕捉表面的烧杯中，泡沫迅速消散至几乎消失，而另一层烧杯中留有整层泡沫。

瓦拉纳西说，这种捕捉气泡的表面可以很容易地改造成许多目前依赖于消泡化学品的工业加工设备。他推测，从长远来看，这种方法甚至可以用作捕获随着世界变暖而从融化的永冻土中渗出的甲烷的方法。这既可以防止某些强大的温室气体排放到大气中，又可以提供燃料来源。他说，在这一点上，可能性是“天上掉下来”，但原则上是可行的。

Varanasi说，与许多新技术的发展不同，该系统非常简单，可以轻松实施。“已经准备好了。…我们期待与业界合作。”

这项工作得到了比尔和梅琳达·盖茨基金会的支持。