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喜迎二十大 | 厦门大学:原创“液体门”,让科幻走进现实

2022-09-27 07:33:50 作者: 来源:东南网  责任编辑:黄丽红   我来说两句

厦门大学侯旭教授团队的“液体门控技术”曾被世界权威化学组织评为“2020年全球化学领域十大新兴技术”

原创“液体门”,让科幻走进现实

东南网9月27日讯(福建日报记者 林霞 李珂)

“一扇可以穿梭在任意星球的星际之门突然动了起来,巨大的能量从星门中冲出,但很快又收了回去,形成一扇水波状的门洞。”

这是1994年全球卖座的好莱坞科幻电影《星际之门》中的场景。

9月26日晚,“80后”厦门大学教授侯旭带领的团队在国际学术期刊《自然》上发表了他们最新的研究成果,首次运用“液体门控技术”,提出不同微尺度的颗粒物在水界面上的高效过滤与吸收的核心机制。值得一提的是,侯旭也是刚刚发布的第四届“科学探索奖”前沿交叉方向的获奖者。

这一次,他们将这扇“水波状的门”从科幻中带到现实来,并为空气净化器的设计提供了全新的思路。“脏的空气进入‘液体门’后,出来就干净了。”

科学家“玩水”,能有多溜?

“液体门控”,就像是微观世界里的开关。

它是指微尺度孔道利用毛细力作用,将液体稳定地填充在孔道内部,在一定压力下迅速开启,在多孔材料孔道内壁形成有液体层的通路,并具有可逆调控性。

“空气中的颗粒物,要么被‘门’物理隔绝,要么被‘门’直接吸收,出来的都是经过‘筛选’后安全的空气。”侯旭说。

侯旭对“液体门”最初的灵感,正是因少时观看《星际之门》而萌发的。

侯旭爱“玩”科研,2006年从四川大学创新人才班本科毕业后,一路“玩儿”到了国家纳米科学中心、哈佛大学。在一次偶然的分离实验中,他发现气体会在超过某一个临界压强值时从液体中穿过,而低于这个压强时无法穿过。

“宏观世界里的‘门’通常是固态的。因为液体受到了重力或离心力,无法稳定成‘门’。那么,微观世界呢?”这一刻,侯旭离畅想中的“液体门”更近一步。

他还自学了解到了生物肺泡中的一种结构——库氏孔。

肺泡是一种由液体填充的组织,而肺泡上的库氏孔可以根据周围压力变化进行弹性收缩,形成一种可以开关的孔道。当压力较小时,液体会充满孔道并将其密封,当压力较大时,液体密封“门”则迅速打开,在液“门”开关之间,肺泡中的气体便随之被放行或阻挡在外。

受此启发,在哈佛大学近4年时间,侯旭一股脑儿钻进“液体门”的微观世界里。2015年,侯旭等首次提出了“液体门控机制”的概念,即让一种液体稳定在多孔膜中,多孔膜就像门框,而利用液体作为门来实现对物质的可控输运与分离。

微观世界里的“水帘洞”

2016年,侯旭放弃了哈佛-麻省理工医疗科技学院提供的职位,来到厦门大学组建起课题组团队、搭建实验室,将“液体门控”原理具体发展成形,并发明“液体门控”技术。

为什么一定要创造“液体门”?

“很多场景都急需一种极度密封、光滑平整、稳定、灵敏的膜材料来做‘门’,比如生物医用导管膜材料、智能农业大棚膜,甚至包括重金属污染物与毒品快速检测技术。”侯旭说。

在微观世界里,固体膜材料很难避免缺陷,无法百分之百阻隔微小物质的传输,如气体分子。而“液体门控”非常完美地解决了这一难题:“流动的‘液体门’封闭时,即使是气体分子也无法通过;打开时,‘门控液体’光滑的界面又可以使通过的物质畅通无阻、毫无残留。”

彼时,也有人觉得侯旭的这一想法“没有意义”。

面对非议,侯旭没有丝毫动摇。

“门的一个重要作用,是为了实现分离。现有的物理化学手段,可使用膜分离技术,通过改变压强等,实现气体、液体的分离,以及液体、液体的分离。”侯旭说,传统的方法有许多麻烦:一是多数气体分子的大小比膜的孔径还小,这些气体就容易“逃跑”,无法控制;二是分离多相物质就要多次调整应用压力。

对此,侯旭团队反其道而行。“想创造出气体的‘开关’,像库氏孔一样,不调整压力(在稳定的环境下),就能让气体、液体实现分离。”

受“肺泡”启迪,侯旭团队想到了有机高分子弹性体材料作为“液体门”的材料,在施加和释放压力的条件下,可动态改变形状。而为了抵消液体在宏观状态下不稳定的劣势,他们巧妙地选用与“门控液体”有相似化学组成的固体多孔膜材料来充当“门框”。

如同微观世界里的智能“水帘洞”,当“妖怪”(空气中的颗粒物)进入“水帘洞”时,“大妖怪”(如,PM10的大颗粒)被直接挡在里面,试图窜逃的“小妖怪”(如,PM2.5的小颗粒)则被“水帘洞”吸收了。

“整套系统集成了过滤和吸附两种功能,通过对膜孔道的修饰和‘门控液体’的选择,可实现门控体系对所传输物质的物理化学响应。”侯旭说。

在微观中书写宏观命题

“响应性液体门控技术”打通了现有空气净化中从过滤吸收、防污防腐、抗菌除臭到长期运行的技术难关。

近年来,世界多个地区连续受大范围雾霾天气影响,空气质量呈现重度污染状态。世界卫生组织(WHO)2021年发布的报告显示,空气污染已经成为“人类健康的最大环境威胁”之一,全球每分钟就有13人死于空气污染。

中国奥维云网(AVC)数据显示,2021年中国空气净化器零售规模65.9亿元,零售量383万台。目前常用的空气净化器技术主要有HEPA过滤技术、静电集尘灭菌技术、活性炭吸附净化技术、负离子净化技术等。

“这些系统多由多层纤维膜或多孔材料组成的过滤膜单元构成,随着颗粒在其表面和内部孔隙的堆积,这些过滤单元将不可避免地遭受堵塞问题,限制了这类过滤装置的效率和使用寿命。”侯旭说。

市场一直在期待一种净化效率高、使用寿命长、无需复杂维护的净化系统。

“液体门控技术”将传统固体材料对污染物过滤所使用的有效表面积转换成液体材料对污染物过滤吸收的有效体积,实现对污染物处理量的数量级提升,提高净化效率和净化器的尘容量。

“相较商用的滤网式过滤器,其尘容量(过滤器容纳灰尘的能力)能达到商用的4.5倍。此外,不同于商用的滤网式过滤器,该方法生产的过滤器可通过流动液体而长期使用。”侯旭说。

其实,早在两年前,侯旭团队的“液体门控技术”,就被世界权威化学组织“国际纯粹与应用化学联合会IUPAC”评为“2020年全球化学领域十大新兴技术”。

质疑声,也随之消失,更多的目光,投向了“液体门”。

在这之后,侯旭团队收到了钱学森空间技术实验室的合作邀请,共同破解在空间站上微重力下的流体管理系统所遇到的瓶颈问题。今年,双方合作发表了关于微重条件下的流体传输控制的研究论文。

“未来该技术将为工业、医疗、建筑等领域急需的防治大气污染如粉尘细菌病毒、提升空气质量、改善人居环境等环保、健康、民生问题提供技术保障,还可与人工智能、微流控技术等集成应用,有望实现智能空气净化,满足未来不同环境下的空气净化需求。”侯旭说。

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