历经3轮审稿,68页PDF打破质疑!东南大学,最新Nature子刊!所有作者均中文署名!

成果介绍

人体呼吸道内壁布满黏液与纤毛，且气道呈弯曲结构，可截留吸入空气中绝大部分污染物。

东南大学赵远锦教授等人受这种气-液界面结构启发，构建了一套静电开放式微流控（EOM）仿生空气净化系统。该系统依托静电场实现颗粒极化与偏转，并利用开放式微流控技术构建可动态更新的气液界面。得益于表面能差异与可调控润湿性，空气中的颗粒污染物会优先被捕集在气液界面，外加电场力可进一步强化该捕获效果。此外，被极化的气态污染物能在自由基与电子作用下发生活化，并通过特制功能液体实现脱除。同时，人字形开放式流道可使气流与液体充分接触，持续更新气液界面，进一步提升污染物去除效率。本文验证了EOM系统在家用空气净化与肺部疾病防护场景下的应用潜力。同时，该系统操作简便、集成性强，具备规模化工业废气治理的应用前景。综上，本研究为高效空气净化提供了一种可行技术方案。

相关工作以《Respiratory-inspired electrostatic open-microfluidics for air purification》为题在《Nature Sustainability》上发表论文。

值得注意的是，该研究在投稿阶段曾遇到审稿人提出不同的意见。

审稿人1认为：本研究中，作者提出了一种受人类呼吸系统过滤污染物能力启发的EOM空气净化系统。这项工作具有创新性，但在实际应用和性能方面仍存在一些不确定性。如：气体污染物去除的机制解释不足。气体分子会变得极化并向液体界面迁移吗？相对于热运动，这个极化的大小是多少？自由基如何促进接触或反应性？一个更严格的机械解释，包括实验验证或动力学分析，是彻底理解这一过程所必需的。

审稿人2认为：论文结构合理，但存在若干拼写错误和需要澄清的部分。在实验和建模工作方面，论文展现出一定的原创性与严谨性。该系统的设计灵感来源于人体呼吸系统，其独特之处在于结合了多个创新组件（如开放微流控、高压静电场和鱼骨状结构），以克服传统方法中存在的局限性（例如压降大以及液相静态达到饱和）。然而，各个独立的组件本身并非新颖。

面对质疑，作者前后历经了3轮审稿、花了68页PDF完美地解决了审稿人所提出的问题。

图文介绍

图1 受呼吸启发的EOM净化空气原理图

受人体呼吸系统净化功能的启发，本文提出了一种静电微流控（EOM）系统用于空气净化，如图1所示。人体呼吸系统由弯曲的气道组成，其表面富含黏液和纤毛。吸入的污染物首先在气体-液体界面被黏液捕获，随后在纤毛的作用下，由动态流动的黏液进行输送。受此类生理功能的启发，设计了一种开放式微流控装置，采用柔性亲水微柱阵列固定功能性液体（FL），以形成气-液界面，并通过“鱼骨状”结构的开放通道，充分暴露流动空气与动态界面接触。得益于FL的润湿性，气相中的PM会优先在气-液界面上被吸收。

此外，由于在EOM系统中引入了高压静电场，会产生大量自由基和电子，从而激活并极化PM和气体组分（如SO₂、NO_x、CO₂、挥发性有机化合物等），促进其向流动的烟气流中迁移。同时，EOM中的这种界面可与流动的烟气和气体保持稳定，并通过动态更新实现持续接触，进一步提升去除效率。因此，该智能EOM系统展现出高效的空气净化能力以及优异的防堵塞和防腐蚀性能。这些特性使其在有效去除PM以及多种空气净化场景中具有广阔的应用前景。

图2 微柱阵列锚定的动态气-液界面

在典型实验中，通过复制3D打印模板制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱阵列。随后，在非润湿的疏水性PDMS表面喷涂了一层亲水层，用于FL的运输和动态锚定，该亲水层由PVA/SiO₂组成，并在乙醇挥发后形成（图2a）。SEM和AFM图像显示，经过SiO₂改性后，表面粗糙度得到改善，亲水性也有所增强（图2b）。与传统的O₂等离子体处理相比，其亲水性在7天内表现出更高的稳定性。这种润湿性差异导致了液滴在不同基底上表现出相应的行为（非润湿态和渗透态）。如图2c所示，在反重力条件下，由于液体渗透作用，FL可被输送，其中微柱通过间歇性和连续性的液体供应，有效锚定了气液界面。

为了阐明气液界面的作用，研究了界面高度（h_i）与微柱阵列参数（高度h和间距d）之间的相关性（图2d）。通过实验，h_i与h呈正相关，与d呈负相关。对于使用不同液体构建的界面，表面张力和接触角起到了关键作用。关于α，观察到优化流速后形成了三种主要流动模式：液膜层（<0.3 mlh^-1）、动态锚定和泄漏（>20 mlh^-1）（图 2e）。介于液膜层与泄漏模式之间的区域被定义为高效区，在此区域内，流体惯性力与表面张力之间的平衡得以维持。

随后，对曲面微柱阵列上的FL行为进行了研究。微柱阵列的弹性模量与固化剂重量比和基底厚度呈正相关。进行了应力的有限元分析，结果表明微柱在正负曲率条件下均能有效抵抗变形（图2f、g）。随后记录了液体在曲面微柱阵列上的光图像序列，结果显示当弯曲角θ小于60°或大于300°时，界面仍能保持稳定，且断裂风险也得以维持。研究发现，负曲率表面具有较低的界面能和固-液接触面积。因此，通过减小θ值可促进传输速率（图2h）。由于相邻微柱之间区域因弯曲而产生拉伸（d增大），h_i降低至约140 μm的最小值（图2i）。

图3 在动态气-液界面捕获颗粒和化学物质

鉴于气液界面的稳定性及其动态更新的能力，利用此类界面来捕获并输送气相中的颗粒。如先前报道，由于表面自由能的变化，大多数固体颗粒能够轻易附着在气-液界面上。界面处的主要力包括重力、浮力和表面张力（图3a）。其中，重力和浮力被忽略。在大多数情况下，颗粒的接触角小于180°，当表面自由能足够大以克服分离能时，颗粒即可自发地附着于界面。颗粒附着后，气-液界面是否能进一步进入液相，取决于其润湿性。为验证这一点，将颗粒置于空气-液相界面接触，结果证实了颗粒在界面间移动的过程（图3b）。此外，还研究了不同颗粒（例如硫粉、香烟、艾草和聚苯乙烯）与FL（例如水、PVA、十二烷基硫酸钠（SDS））之间的相互作用，以探讨研究结果的普遍性（图3c）。

通过高速摄像机记录了动态气液界面处颗粒捕获的实时图像，其中气相中的颗粒被界面明显捕捉，并随后沿FL流动方向被输送（图3d）。研究发现，在有效范围内（1 ml/h-20 ml/h），颗粒的输送速度随流速增加而增大，从而避免了液体覆盖和泄漏现象（图3e）。接触后，FL表现出丁达尔效应，动态光散射实验也证实了高效捕获。此外，还可采用高效率吸附剂（如活性炭、介孔分子筛、金属有机框架材料和多孔氧化物）或催化剂（如过渡金属氧化物催化剂和光催化体系），与FL腔室集成，用于进一步富集或工业纯化。同时，还应用了粒子图像测速技术对时间序列图像进行分析（图3f）。在颗粒周围区域剪切速率明显升高，表明颗粒沿FL流方向具有高效的迁移（图3g）。

除了固体颗粒物外，SO₂、NO_x、CO₂和甲醛等气体化学物质也可在气-液动态界面处被捕集。NaOH和苯酚蓝被用作捕获酸性气体（SO₂、NO_x）的FL，其水解电离过程导致苯酚蓝发生质子化，产生明显的颜色变化（图3h）。同样，溴甲酚蓝（BTB）作为CO₂的FL，因类似质子化与去质子化反应而出现明显颜色变化（图3i）。至于甲醛，4-氨基-5-肼基-1,2,4-三唑-3-硫醇（AHMT）和KIO₄则被用作FL。在与KIO₄反应后，中间产物由无色变为紫色（图3j）。简而言之，FL的具体组分可根据目标气体化学物质的特异性反应灵活优化。

图4 空气净化EOM功能单元的建设

为提升气液界面的颗粒捕获效率，本文将高压静电场与开放式微流控平台相结合。接地极板与芒刺电极之间形成的静电场可使空气电离，产生大量正离子与电荷；中性原始颗粒极易吸附上述带电粒子（图4a）。在静电吸引力作用下，颗粒运动轨迹发生偏转并向接地极板（GND）靠拢，从而进一步强化颗粒与气液界面的接触。同时，该静电场还会生成大量自由基（如羟基自由基、氧自由基），促使化学物质发生极化，使其更易与气-液界面发生相互作用。随后，对静电场的多个参数进行了数值模拟，包括电势、电场强度和空间电荷密度，这些参数表现出稳定的强度和电荷分布（图4b）。

从静电场底部抽入的烟气流在观察中呈现出明显的偏转现象（图4c(i)）。偏转距离与电压和电场力呈负相关，但随着板间间距的增大而增加。然而，板间间距过窄会导致电击穿，影响运行安全。图4c(ii)展示了不同尺寸颗粒的运动轨迹模拟结果。研究发现，由于电荷吸附力更强，较大的颗粒更容易向GND方向偏转。距离过小必然会导致电击穿现象，影响场强稳定性。根据仿真和实验结果，后续实验中最终将电极间距设定为1.5 cm。接地板前的弯曲动态气液界面显著增加了表面积（A），并提高了净化效率；同时，根据大空间高浓度污染物应用的实际需求，柔性亲水微柱阵列可轻松制备出更大的表面积（A）。因此，选择鱼骨状通道来取代直通道，以产生由几何形状决定的湍流。

单个EOM功能单元包含一个接地极板、左右鱼骨状壁、柔性微柱阵列以及一条刺线。得益于受乐高微流控启发的设计，各个单元可相互拼接，构成一个完整的EOM系统（图4d）。图4e展示了鱼骨形通道中的速度分布模拟结果，显示了在弯曲区域附近的速度和压力分布受到扰动。特征角度（θ_h）被优化为120°，以有效诱导气体湍流并避免气体滞留，而弯曲的几何通道则能快速净化烟气空气。随后，对不同尺寸颗粒的累计电荷数进行了模拟，结果显示进入静电场后，较大颗粒表现出更强的正电荷（图4f）。采用锯齿状通道而非直通道时，颗粒物的去除效率分别为：PM_1.0为83.30%，PM_2.5为89.72%，PM₁₀为94.33%。

图5 EOM系统的扩展应用

文献信息

Respiratory-inspired electrostatic open-microfluidics for air purification，Nature Sustainability，2026.

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01872-1

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