千眼狼高速成像与 PIV 揭示超快气泡捕获机制

研究采用千眼狼（Revealer）X190高速摄像机记录自由上升气泡的接近、反弹与捕获过程，结合PIV速度场、气液界面观测及理论分析，揭示微锥结构通过约束三相接触线、促进液膜排液实现毫秒级气泡捕获的机制，并验证其在流动环境中的连续气体输运能力。

1 实验背景

自由上升气泡与水下表面的相互作用，涉及气泡收集、气液分离、水处理及水下气体输运等研究方向。对于具有超亲气特征的微纳结构表面，气泡能否被快速捕获，既取决于表面润湿性，也受到气泡运动、驻留气层状态和液膜排液过程的共同影响。

当气泡接近水下携气表面时，气泡与表面驻留气层之间仍隔着一层液体。只有液膜充分变薄并发生破裂，气泡才可能与气层连通，随后形成并扩展三相接触线。如果排液过程较慢，气泡可能先减速、变形和反弹，经历多次接近后才完成捕获。因此，捕获时间的差异不仅反映接触瞬间的破膜行为，也包含接触前流体动力学过程的影响。

纳米结构能够改善气层稳定性，并影响局部破膜条件；微米尺度结构则可能在气泡尚未完成捕获时，改变气层的变形方式和液体排出路径。区分这两类作用，需要同时获得气泡运动与周围流动的信息。

Yue Hu等发表于《Nature Communications》的研究，以覆有纳米颗粒的微锥阵列为模型表面，将高速成像、粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）、界面观测与理论计算结合起来，考察了三个相互关联的问题：微锥阵列如何缩短捕获时间，快速捕获为何集中在特定位置，以及怎样的结构参数能够维持稳定捕获。

2 实验设备

研究采用千眼狼（Revealer）X190高速摄像机承担不同时间尺度的图像采集。静水捕获实验以9000 fps记录气泡运动，PIV实验以4000 fps采集粒子图像，流动输运实验则以200 fps观察气体通道及气泡输运状态。

三个帧率对应不同测量任务，9000 fps用于分辨毫秒级接触与反弹过程；4000 fps用于获取非定常排液流动的粒子图像；200 fps用于记录流动环境中相对较长时间尺度的输运行为。

PIV后处理则通过两遍FFT窗口变形和高斯亚像素估计计算速度场，初始查询窗口为32 × 32 pixel。示踪颗粒的质量分数低于10⁻⁴，以较低浓度加入去离子水。

研究还利用显微形貌表征、共聚焦观测和荧光反射成像，分别获取微结构形貌、气层界面分布及其动态变形信息。这些观测为解释高速图像和PIV结果提供了必要的界面证据。

3 实验方法

3.1 表面对照与气泡捕获测量

研究设置覆有相同纳米颗粒涂层的微锥超亲气阵列（MA）和平面疏水基准表面（FH），考察微米尺度结构的作用。基准微锥中心间距L为1 mm、底部半径a为346 μm、锥高b为600 μm；以b/a描述结构比例，以D₀/L表示无量纲气泡尺寸。

试样倒置浸入去离子水，气泡从下方释放。X190以9000 fps记录接近、变形、反弹及捕获过程，提取气泡轮廓、质心轨迹和捕获时间。捕获时间定义为首次接触至形成可扩展三相接触线的间隔。气泡尺寸扫描覆盖D₀/L = 1.6–3.5，每个工况重复20次。

3.2 排液流场与捕获位置测量

PIV实验利用片光照亮液膜子午面，由X190以4000 fps记录示踪颗粒运动，经PIV后处理获得液体速度场，并与气泡速度及形变数据对照。

位置扫描实验中，气泡释放距离为3.2 mm，位移平台每次横移试样200 μm，改变气泡相对于微锥尖端的接近位置，通过高速图像比较各位置的捕获时间与行为。

3.3 流动输运与气体收集测量

研究采用290 × 10 × 6 mm流道，注气流量为1–3 mL/min，测试范围为Re = 0–5417。X190以200 fps观察气体输运，量筒读取收集体积，收集率按收集体积与注入体积之比计算。

12 h实验以1 mL/min供气，使用30 mL注射器，每30 min短时补气一次，单次断开不超过10 s。

4 实验数据解析

4.1 捕获时间由71.5 ms降至1.5 ms，差异首先体现在反弹过程

在D₀/L = 2.4、L = 1 mm、释放距离20 mm的示例工况下，MA表面的捕获时间为1.5 ms，FH表面为71.5 ms，前者的耗时约为后者的1/48。

高速图像显示，气泡接近MA表面后，在首次接触过程中即被捕获；FH表面上的气泡则经历多次反弹，显著延长了最终捕获所需的时间。气泡质心轨迹进一步将这一差异转化为可比较的运动数据：FH表面的反复离开与重新接近，对应明显的轨迹起伏；MA表面则避免了持续的反弹过程。

这组数据说明，微锥结构缩短捕获时间的作用已经体现在接近与反弹动力学中。仅观察最终是否附着，无法解释两种表面之间近两个数量级的时间差异。

图1 微锥阵列形貌、高速图像序列及气泡质心轨迹。MA与FH的捕获时间分别为1.5 ms和71.5 ms。

4.2 PIV显示排液流场随微锥几何参数发生变化

PIV测量显示，气泡上升接近微锥阵列时，气泡与阵列之间的液体向外排出。当b/a由0.3增至3.5时，气泡侧方的涡环截面结构和尾涡更为明显，周围速度场也随之改变。

高速图像提供了另一组相关信息：在所比较的结构条件下，较大的b/a对应更高的接触前最大速度，以及较小的气泡形变。将这些数据与PIV流场并置，可以判断微锥结构不仅改变捕获位置，也影响气泡接近过程中的流体运动与变形响应。

气泡接近时，液膜压力既作用于气泡，也作用于表面气层。气层能够怎样变形、接触线能否保持钉扎，会改变液膜的几何形态及排液条件。

实验通过荧光反射成像观察到，微结构约束下的气层界面发生明显变形。引入三相接触线钉扎条件的模型预测，靠近气泡底部周缘的液膜减薄速率峰值可达到自由界面对照的约1.6倍。

PIV在本研究中的价值，是为排液过程提供空间分布信息，使气泡运动变化具有可检验的流动依据。

图2 上方为不同b/a条件下的PIV速度着色流线，下方为气泡接触前最大速度及形变演化。

4.3 高速成像定位快速捕获集中在被钉扎的三相接触线附近

即使表面结构不变，气泡相对于微锥的接近位置也会改变捕获结果。

通过200 μm步长的位置扫描，研究发现：气泡从微结构单元中心区域接近时，捕获时间可达约100 ms；接近微锥附近被钉扎的三相接触线时，捕获时间可降至约1.5 ms。与捕获时间的空间分布相对应，高速序列呈现出从反弹到快速捕获的行为转变。

这里的三相接触线，是驻留气层、水和固体微结构交汇形成的接触线。“被钉扎”表示接触线在一定条件下受到约束，位置保持相对稳定；气液界面仍可在接触线之间发生变形。

SPH模拟显示，接近钉扎边界时，局部水平排液速度增强，与实验观察到的快速捕获区域相对应。界面受到约束后，气泡继续接近会使局部液膜受到更强的压缩，从而有利于液膜变薄及气桥形成。

这组结果将“微锥阵列表面能够快速捕获气泡”进一步细化为一个具有空间条件的结论：快速捕获具有位置选择性，不能用单一捕获时间描述整个微结构单元。高速成像与位移平台配合，使这种局部差异能够被逐点测量。

图3 不同接近位置下的气泡行为及捕获时间。左侧灰度图为高速成像，彩色图为SPH计算的水平速度场；右侧为位置扫描结果。

4.4 捕获相图说明，微锥并非越细长越有利

在不同微锥几何参数及气泡尺寸下，高速图像可将气泡行为区分为反弹、捕获和悬挂。研究据此建立以b/a和D₀/L为坐标的捕获相图，并与气层稳定性的临界压力模型比较。

模型关注的条件是：液膜作用于气层的最大平均压力，不应超过维持气层稳定的临界压力差。在这一条件下，接触线能够保持钉扎，气层在变形过程中保留促进局部排液的结构基础。超过临界条件后，接触线移动和气层失稳可能使快速捕获受到阻碍。

但气层稳定性判据并不能单独保证所有气泡都能被捕获。实验显示，增大b/a有利于较大气泡的快速捕获；当b/a大于7.8时，又可能出现气泡悬挂于微结构上方的情况。此时，气泡无法有效接触气层中的钉扎三相接触线，捕获过程受到抑制。

在捕获相图统计中，各工况重复20次，只有全部实验均在首次接触时完成捕获，才被判定为快速捕获成功。高速成像在这里提供行为分类与重复性统计依据，理论模型则用于解释参数分界及其物理含义。

图4 临界压力预测与实验捕获相图。相图中的反弹、捕获和悬挂由实验观察判定，黑色分界线来自理论计算。

4.5 流动试验将单次捕获扩展到连续气体输运

静水中的快速捕获，并不自动等同于流动环境中的高收集率。水流会改变气泡轨迹、界面受力以及气体在表面上的输运状态，因此需要单独验证。

在200 fps图像中，MA表面形成了沿流向延伸的连续气体通道；FH表面则呈现较多离散气泡。相较于单个气泡能否被捕获，这一观察进一步反映了捕获后的气体能否通过连通气层持续输运。

量筒测量显示，Re由2083增至3750时，MA表面的气体收集率由100%降至96.5%；在Re = 2083下，12 h实验后的收集率仍为98.8%。但当Re增至5417时，MA表面的收集率降至约50%，说明其性能仍受到流动条件限制。

高速摄像机提供连续气体通道、离散气泡及输运过程的图像证据；收集率数值则来自气体体积测量。

从单次捕获到连续收集，研究考察的是不同层次的性能。前者侧重界面接近和破膜动力学，后者还包含捕获后的连通、输运及收集过程。

图5 MA表面的连续气体通道与FH表面的离散气泡，以及气体收集率和收集体积统计。

5 实验结论

高速成像直接量化了微锥阵列表面的毫秒级捕获、捕获位置效应及反弹、捕获和悬挂行为；PIV揭示了微锥几何参数对排液速度场和涡结构的影响，为气泡运动与形变分析提供流动证据。

界面观测与模型共同支持：三相接触线钉扎约束驻留气层的变形，促进局部液膜排液；气层失稳或气泡无法到达有效接触位置时，快速捕获仍可能失败。因此，捕获能力取决于结构参数、气泡尺寸及接近位置的共同作用。

流动实验验证了特定Re范围内的连续气体输运和较高收集率，同时显示高Re下的性能下降。高速成像、PIV与体积测量分别提供行为、流场和收集性能证据，共同构成从界面动力学到输运效果的实验评价依据。

参考文献

Understanding ultrafast free-rising bubble capturing on nano/micro-structured super-aerophilic surfaces. Nature Communications 16, 3682 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59049-x