仿生液體復(fù)合有機(jī)高分子彈性膜系統(tǒng)

膜科學(xué)與技術(shù)的多相分離研究對石油化工、天然氣開采、污水處理、濕法除塵、生物醫(yī)學(xué)、發(fā)酵工程等領(lǐng)域具有重要的意義.如何實(shí)現(xiàn)在恒壓環(huán)境下的動(dòng)態(tài)可控多相分離一直以來面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn).

圖1 仿生液體復(fù)合有機(jī)高分子彈性膜的設(shè)計(jì)與工作原理[4]

廈門大學(xué)侯旭教授研究團(tuán)隊(duì)長期致力于多尺度孔道材料的研究,提出了仿生多尺度智能門控的概念和多尺度界面的設(shè)計(jì).仿生多尺度智能門控是指受到自然界中生物體的啟發(fā)而開發(fā)的微/納尺度的多孔膜材料,膜孔道響應(yīng)光、壓力、pH、溫度、濕度、電場及磁場等外界刺激,能夠?qū)崿F(xiàn)其打開和關(guān)閉,選擇性地進(jìn)行物質(zhì)輸運(yùn)[1].多尺度界面的設(shè)計(jì)則包括多尺度孔道表面的液體滑移表面的設(shè)計(jì),多尺度孔道內(nèi)固/液/液界面的設(shè)計(jì),以及多尺度孔道內(nèi)的動(dòng)態(tài)滑移界面的設(shè)計(jì)[2-3].

最近,受到生物中肺泡小孔的啟發(fā),侯旭教授研究團(tuán)隊(duì)首次將功能液體與有機(jī)高分子彈性體材料復(fù)合形成穩(wěn)定的復(fù)合膜體系,用于恒壓環(huán)境下的可控多相輸運(yùn)與動(dòng)態(tài)分離(圖1).其中,功能液體由毛細(xì)力穩(wěn)定在彈性體多孔膜中,形成了一種液體門控,該技術(shù)把傳統(tǒng)固液界面的科學(xué)問題轉(zhuǎn)移到液液界面,把液體作為動(dòng)態(tài)“門”,以實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的可控輸運(yùn)與分離.通過對彈性體材料孔徑的動(dòng)態(tài)調(diào)控和固液界面的協(xié)同作用, 控制流體的輸運(yùn)性能.這項(xiàng)工作以“Liquid gating elastomeric porous system with dynamically controllable gas/liquid transport”為題發(fā)表于《Science Advances》[4].這一全新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路有望應(yīng)用于氣體參與的化學(xué)反應(yīng)、燃料電池、多相流體系、多相微反應(yīng)、仿生微流控、膠體顆粒的制備等領(lǐng)域.這一研究成果將對開發(fā)新一代的多相分離系統(tǒng)提供新材料和新技術(shù)手段,推動(dòng)多相物質(zhì)輸運(yùn)與分離技術(shù)的發(fā)展.

[1] HOU X.Smart gating multi-scale pore/channel-based membranes[J].Adv Mater,2016,28(33):7049-7064.

[2] ZHAN K,HOU X.Tunable microscale porous systems with dynamic liquid interfaces [J].Small,2018:1703283.doi:10.1002/smll.201703283.

[3] ZHU Y L,ZHAN K,HOU X.Interface design of nanochannels for energy utilization[J].ACS Nano,2018,12(2):908-911.

[4] SHENG Z Z,WANG H L,TANG Y L,et al.Liquid gating elastomeric porous system with dynamically controllable gas/liquid transport [J].Sci Adv,2018,4(2):eaao6724.