中科大吴东/雍佳乐AFM综述：飞秒激光设计制备水下气流控系统

微流控是指利用尺寸在数十至数百微米的微通道来操控纳升甚至阿升级微量液体的集成平台。紧凑和高度集成的特性使微流控芯片能够执行许多传统大型分析仪器难以实现的精密微观操作。目前，微流控技术已广泛应用于化学分析检测、生物分析（如基因组学和蛋白质组学）、医学诊断、细胞操作、高通量药物筛选及集成光学等领域。微流控系统的应用能够大幅减少试剂消耗，实现更精准的流体控制，并显著提升检测效率。传统微流控系统主要针对液体的驱动、传输和操控而设计，较少关注气体的微观层面操作。由于大量应用场景如化学反应、分析和检测过程都涉及气体，因此微量气体的传输和操作同样具有巨大应用潜力。

与液体微流控类似，微量气体也可以通过微通道系统进行传输和操控，这类系统被称为“气流控”（aerofluidics）。气流控芯片致力于在微观尺度上操控微量气体，以建立基于气-气或气-液微相互作用的高度集成系统。2023年，借助于表面润湿性的设计，Yong等人利用飞秒激光加工技术制备了一种简单的水下气流控结构，并实现了水下气体的微量自驱动传输[Adv. Sci., 2023, 10, 2301175]。研究团队基于飞秒激光直写在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面刻蚀出宽度仅几十微米的超疏水微沟槽。当浸入水中时，这些超疏水微沟槽与周围液体环境形成中空微通道结构，能够使气体在设计的气流控系统中自由流动。当激光刻蚀的微沟槽连接不同尺寸的超疏水输入/输出区域时，注入系统的气体可以自发地沿着超疏水微沟槽从高Laplace压强区流向低压区。结构设计的灵活性和自驱动气体传输功能使得制备的系统可以实现多种微量气体操作功能，如气体的合并、聚集、分离、图案化以及气-气/气-液微反应等。除了二维（2D）气流控系统外，Mei等人近期提出了一种结合中国传统编织技艺与超疏水金属丝制备三维（3D）气流控系统的策略，实现了三维空间的气体操控[Nano Lett., 2025, 25, 4790]。气流控系统在涉及气体的微分析、微检测、生物医学工程、传感器和环境保护等方面具有广阔的应用前景。然而，相比于成熟的液体微流控技术，气流控技术仍处于研究初期阶段。

近日，发表在Advanced Functional Materials杂志上的综述文章“Emerging Advances in Femtosecond Laser-Designed Underwater “Aerofluidic” Systems: Concept, Design Principle, and Potential Applications” (DOI: 10.1002/adfm.202507163)系统总结了水下气流控的基本概念、设计策略、气体的自驱动传输原理、以及实现的气体操作功能和应用。文中主要以飞秒激光微加工的方法为例阐述二维和三维水下气流控系统的制备和应用。这些制备策略可以拓展到其它各种微纳加工方法。中国科学技术大学精密机械与精密仪器系雍佳乐副研究员为该论文的第一作者，中科大吴东教授、汪超炜副研究以及合工大朱苏皖副教授为论文的通讯作者。

图：飞秒激光微加工系统及制备的各种2 D/3D微结构。

图：基于润湿性设计构建水下气流控系统的策略。

图：飞秒激光直写的2D气流控系统及水下气体自驱动传输。

图：基于飞秒激光设计的气流控系统实现的多功能气体传输。

图：基于飞秒激光制备的超疏水金属丝编织的气流控系统。

图：三维气体传输。

图：基于气流控设计实现的多功能微量气体操作。

图：基于微量气体操作实现的气-气/气-液微反应应用。

参考文献：

J. Yong, X. Mei, Y. Cheng, Z. Chen, S. Zhu, C. Wang, H. Hu, D. Wu, Emerging Advances in Femtosecond Laser-Designed Underwater “Aerofluidic” Systems: Concept, Design Principle, and Potential Applications. Adv.Funct. Mater.,2025 , 35, e07163. (DOI: 10.1002/adfm.202507163)

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