空氣污染物（如顆粒物PM和有毒氣體）對人類健康與日常生活構成了嚴重威脅。為應對這一挑戰，研究者們已開發出聚合物吸附劑、多孔過濾器和界面吸收等多種凈化策略。其中，基于氣-液界面吸收的方法因能利用相間表面能差異高效錨定污染物而備受關注，但其仍面臨諸多瓶頸，例如傳統過濾器的堵塞、污染物逃逸以及靜態液相易飽和導致的效率下降等問題。因此，開發一種能連續、高效且穩定捕獲污染物的新型凈化策略成為領域內的迫切需求。

受人體呼吸系統通過彎曲氣道表面的黏液和纖毛凈化空氣的生理功能啟發，東南大學研究人員開發了一種靜電開放微流控（EOM）系統用于仿生空氣凈化。該系統集成了靜電場輔助極化與偏轉功能，并利用開放微流控技術構建了動態更新的氣-液界面。該界面能優先捕獲空氣中的顆粒物，并在電場力作用下增強效果；同時，極化的氣態污染物可被自由基和電子激活，并由定制功能液體去除。此外，其獨特的人字形開放通道促進了氣流與液體的充分交互，顯著提升了凈化效率。相關成果以題為“Respiratory-inspired electrostatic open-microfluidics for air purification”發表在最新一期《nature sustainability》上。

研究團隊首先通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術打印了具有不同高度和間距的微柱陣列模具，然后制備了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱陣列，并噴涂聚乙烯醇/二氧化硅（PVA/SiO?）親水涂層以實現功能液體（FL）的傳輸與動態錨定（圖2a）。掃描電鏡和原子力顯微鏡圖像證實，改性后的表面粗糙度增加且親水性顯著提升（圖2b）。實驗表明，該親水涂層在7天內的穩定性優于傳統的氧等離子體處理。研究進一步揭示了界面高度（h?）與微柱高度（h）及間距（d）的相關性，并通過拉普拉斯方程推導出半經驗公式，顯示h?與h呈正相關、與d呈負相關（圖2d）。通過優化流速，系統可在0.3 ml h?1至20 ml h?1的“高效區間”內維持動態錨定狀態，避免液膜或泄漏（圖2e）。有限元分析及光學顯微鏡觀察證實，即使在正負曲率彎曲條件下，微柱陣列也能有效抵抗形變并維持界面穩定（圖2f, 圖2g）。彎曲角度實驗表明，負曲率表面能降低界面能并提升液體傳輸速率（圖2h, 圖2i）。

鑒于氣-液界面的穩定性與動態更新特性，研究團隊將其用于氣相顆粒的捕獲與傳輸。當顆粒接近界面時，因表面自由能變化而自發粘附（圖3a）。高速攝像實時記錄顯示，氣相中的顆粒被界面捕獲后沿FL流動方向傳輸（圖3d），且傳輸速率在高效區間內隨流速增加而提升（圖3e）。粒子圖像測速分析表明，顆粒周圍區域的剪切速率明顯增加，證實了高效的傳輸過程（圖3g）。除固體顆粒物外，系統還能捕獲SO?、NO?、CO?和甲醛等氣態化學物。通過定制FL成分，如使用酚酞用于酸性氣體比色傳感（圖3h）、溴百里酚藍用于CO?檢測（圖3i）、以及AHMT/KIO?用于甲醛檢測（圖3j），系統在捕獲的同時可實現可視化傳感。

為進一步提高捕獲效率，研究團隊將高壓靜電場與開放微流控集成（圖4a）。接地面板與芒刺線之間的電場使空氣電離，產生大量離子和自由基，使中性顆粒物帶電極化并偏轉至接地面板，增強與界面的接觸。密度泛函理論計算顯示，氣體分子共價鍵在電場方向被拉伸，靜電勢顯著增強，處于活化狀態（圖4b）。數值模擬及實驗觀察到，煙霧氣流在電場開啟后發生明顯偏轉（圖4c），且偏轉距離與電壓呈負相關。人字形微通道的設計增加了氣流與界面的接觸面積，優化了流場分布（圖4e）。實驗結果顯示，EOM系統對0.3-10 μm尺寸顆粒的累積電荷數與去除效率均隨粒徑增大而提高，總去除效率高達95%以上（圖4f）。針對多組分污染空氣，系統可通過串聯或并聯不同FL的功能單元實現協同凈化（圖4g）。

在為期72小時的連續運行測試中，系統產生的臭氧濃度處于安全范圍內，未發生電擊穿現象，且微柱表面無污染物殘留（圖5a-f）。在酸堿鹽等腐蝕性環境中浸泡7天后，表面仍保持穩定親水性，微柱結構未見明顯腐蝕，展現了優異的抗腐蝕與抗污染性能。在1 m3空間內的凈化測試表明，污染空氣可在2小時內凈化至安全水平。在小鼠肺部保護實驗中，經EOM凈化的煙霧組小鼠肺泡形態健康，與新鮮空氣組相近，而未處理煙霧組則出現明顯縮小（圖5h, 圖5i），證實了其在預防肺部損傷方面的潛力。

總結：該EOM系統相比傳統空氣凈化技術，得益于動態更新的氣-液界面，具有可持續性強、抗腐蝕、低成本及長壽命等顯著優勢。其基于潤濕性的捕獲機制可擴展至PM、氣溶膠、多種有毒氣體乃至病原體。FL成分可根據目標靈活優化，實現高效吸附與傳感。未來研究將聚焦于提升系統穩定性與可擴展性，探索微柱陣列與通道的其他排布模式，以進一步優化性能，推動其在家庭及工業廢氣凈化等多元化場景中的應用。