泡沫捕捉表面有助于摆脱泡沫

在许多工业过程中，如生产燃料或药品的生物反应器中，泡沫可能会成为障碍。起泡的气泡会占用大量空间，限制了产品的可用体积，有时还会堵塞管道和阀门，或损坏活细胞。公司每年花费大约30亿美元在叫做消泡剂的化学添加剂上，但是这些会影响产品的纯度，并且可能需要额外的处理步骤来去除它们。

现在，麻省理工学院的研究人员已经提出了一种简单、便宜、完全被动的系统来减少或消除泡沫的积聚，他们使用了吸引泡沫的特殊纹理网片，使泡沫在形成的同时迅速破裂。新工艺在《先进材料界面》杂志上发表了一篇论文，作者是最近毕业的Leonid Rapoport博士，访问学生Theo Emmerich和机械工程教授Kripa Varanasi。

瓦拉纳西解释说，新系统使用了研究人员称为“嗜气”的表面，这种表面可以吸引和释放空气或气体的气泡，其方式与亲水表面(吸引水的表面)导致水滴附着在表面，扩散并消失的方式非常相似。

他表示，在工业生产过程中“到处都是泡沫”，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。

此外，“这是细胞培养或生物反应器的主要挑战之一，”他补充道。为了促进细胞生长，各种气体通常通过水或其他液体介质扩散。但这会导致泡沫的积累，当这些小气泡破裂时，它们会产生剪切力，破坏或杀死细胞，所以控制泡沫是必要的。

与相同的泡沫流在两个烧杯(正确的烧杯的空气出口是倾斜的,所以这个剪辑的泡沫流出现窄),插入一张新的变形材料由麻省理工学院研究小组开发(右)导致泡沫形成顶部的烧杯几乎完全消散,而类似的材料没有特殊表面纹理(左)离开了泡沫原状。由瓦拉纳西实验室提供

处理泡沫问题的通常方法是加入诸如乙醇或醇类的化学物质，这些物质通常需要再次过滤掉。但这会增加成本和额外的加工步骤，并可能影响产品的化学成分。因此，研究小组问道:“如何在不添加化学物质的情况下去除泡沫?”这是我们的挑战，”瓦拉纳西说。

为了解决这个问题，他们制作了高速视频来研究气泡撞击表面时的反应。他们发现这些气泡会像橡皮球一样弹开，弹几次才最终粘在一起，就像液滴碰到表面时一样，只是上下颠倒。(泡沫在上升，所以它们会向下反弹。)

拉波波特说:“为了有效地捕捉撞击的气泡，我们必须了解将气泡从表面分离出来的液体薄膜是如何排水的。”“我们必须从第一步开始，因为甚至没有一个确定的度量标准来衡量一个表面捕捉撞击气泡的能力。最终，我们能够理解泡沫反弹背后的物理原理，而这种理解推动了设计过程。”

该团队设计出了一个平面设备，它具有一系列精心设计的表面纹理，尺寸大小不一。它的表面经过调整，使气泡能够立即附着而不反弹，并迅速扩散和消散，为下一个气泡让路，而不是像泡沫那样堆积。

“快速捕捉泡沫和控制泡沫的关键是一个三层的系统，它的特征是越来越小的尺寸，”艾默里奇说。这些特征有助于在材料表面形成一层薄薄的空气。这个表面被称为“护板”，它与潜水鸟身上的某些羽毛纹理相似，这些羽毛可以帮助潜水鸟在水下保持干燥。在这种情况下，护板有助于使气泡附着在表面并消散。

瓦拉纳西说，这样做的最终效果是将气泡附着在水面上的时间缩短了一百倍。在测试中，弹跳时间从几百毫秒减少到几毫秒。

为了在实验室中验证这一想法，研究小组制造了一个包含气泡捕捉表面的装置，并将其插入一个有气泡从中升起的烧杯中。他们把烧杯放在一个相同的烧杯旁边，这个烧杯里装着泡沫泡沫，上面有一张同样大小的纸，但是没有纹理。在有捕捉气泡表面的烧杯中，泡沫迅速消散，几乎消失殆尽，而另一个烧杯中则保留了一层完整的泡沫。

瓦拉纳西说，这种能够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施。他推测，从长远来看，这种方法甚至可能被用来捕捉全球变暖时从融化的永久冻土中渗出的甲烷。这既可以防止一些强效温室气体进入大气，同时也提供了一种燃料来源。在这一点上，这种可能性是“天上掉馅饼”，他说，但在原则上它是可行的。

瓦拉纳西说，与许多新技术的发展不同，这个系统非常简单，很容易实现。“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。