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厦门日报:厦大“玩水”的科学家破解技术难关
发布时间:2022年09月27日 来源:厦门日报

侯旭团队设计的“响应性液体门控”概念图。(受访者 供图)

科幻片里的“液体门”,现在被中国科学家用在空气净化上——厦大侯旭教授团队首次运用“液体门控技术”,打通现有空气净化的技术痛点,实现对空气高效过滤,使得细菌、颗粒物完美被吸附,为空气净化器的设计提供了全新的思路。

这一成果发表在北京时间26日23时上线的世界顶级科学杂志《自然》上。厦门大学化学化工学院博士生张运茂为论文的第一作者,通讯作者是厦大化学化工学院、物理科学与技术学院双聘教授侯旭,论文得到西北工业大学臧渡洋团队的支持。

空气污染对人类威胁越来越大,空气过滤净化系统比任何时候更重要,它多由多层纤维膜或多孔材料组成的过滤膜单元构成。不过,它有致命点:空气净化系统的“门”是固体材料,微小物质穿过时,常常把它们中的“胖子”卡住了,让其进出不得,久而久之,“胖子”堆积如山,过滤的膜材料就会被污染或堵塞。

侯旭团队运用“液体门控技术”来解决空气净化器的痛点。39岁的侯旭是“液体门控技术”发明人,他被称为“玩水”的科学家。

科幻电影《星际之门》里,人类通过液态星门,来实现物质在宇宙的瞬间传送。但是,液体真能做门吗?

侯旭说,宏观尺度下的确不行,但是,微观世界里是可获得液体门,而且关上液体门,城里的冲不出来,城外的也杀不进来,打开门时畅通无阻,不留残渣。

但是,把“液体门控”运用到空气净化技术,面临很多挑战。侯旭团队此次成果就是在这些方面取得了系列重要突破。侯旭说,这是一项“土生土长”的科学研究。

侯旭说,此次空气净化应用基础研究工作,是液体门控的又一提升——其核心突破在于解开了流动的液体作为结构与功能材料去实现微泡三相界面上(气液固)的高效传质难题,而且,由于换成液体门,实现对污染物处理量的数量级提升,从而在提高净化效率的同时也提高了净化器的尘容量。

侯旭认为,目前实验室已经有很好的空气净化系统液体门控的技术储备,就等着业界伸出手来“接”。

【解读】

现在的空气净化系统不完美在哪里?

侯旭团队的研究成果的意义,要从空气污染说起。

人类越来越面临污染的挑战,持续不断的雾霾天气,使呼吸道疾病患者爆发性的增长,也造成经济、社会问题,其中,颗粒物浓度是空气污染的一项重要指标。

目前,去除这些颗粒物最有效的方法是空气过滤净化系统,它多由多层纤维膜或多孔材料组成的过滤膜单元构成。然而,由于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,其表面的容尘能力从根本上限制了这类过滤装置的效率和使用寿命。

侯旭解释说,现在空气净化系统的“门”大多是固体材料,在微小物质穿过时,常常把它们中的“胖子”卡住了,让其进出不得,久而久之,“胖子”堆积如山,过滤的膜材料就会被污染或堵塞,这同样也是我们在水处理、海水淡化中经常碰到的污染难题。

因此,科学家们面临的任务是:如何开发净化效率高、使用寿命长、无需复杂维护的净化系统,解决传统行业的痛点。

液体真能做成门?

侯旭团队发表的最新论文显示,他们运用“液体门控技术”来解决空气净化器的痛点。这里有背景:39岁的侯旭是“液体门控技术”发明人,他被称为“玩水”的科学家。

科幻电影《星际之门》里,人类通过液态星门,来实现物质在宇宙的瞬间传送。但是,液体真能做门吗?

侯旭说,在宏观尺度下,液体由于受到重力、离心力等的影响,不停流动,的确无法固定。但是,在微观世界里,通过在一些固体支架上设计多孔结构形成门框,利用毛细力作用,将液体能够稳定地存在于微孔里面,即可获得液体门。而且,在压力的梯度下,它就能实现可逆开关的功能——相当于压力是一把钥匙,在合适的钥匙(压力)下,液体门就可以开和关。当液体门关时,就连气体分子也无法通过,但在特定的压力作用下,液体门打开时,物质就能顺利通过。

用大白话说,侯旭提出的液体门,由于液体的表面具有分子级的光滑,整个表面没有任何缝隙与缺陷,因此,关上液体门,城里的冲不出来,城外的也杀不进来,而打开门时畅通无阻,不留残渣。而且“液体门”对压力很敏感,灵敏度较高,开关迅速自如。

侯旭团队的成果“新”在哪里?

液体门这么香,但是,把“液体门控”运用到空气净化技术,面临很多挑战,例如如何设计获得固体材料和门控液体上面具有可控的固液界面,还有门控液体和污染空气上面具有功能的液气界面,如何实现响应性液门系统的稳定性和可控性,如何产生均匀的微泡,以及如何控制微泡三相界面上的高效传质问题等。

侯旭团队的研究就是在这些方面取得了系列重要突破。

侯旭说,此次空气净化应用基础研究工作,是液体门控的又一提升——其核心在于将表面润湿性可调的电化学多孔膜作为固体骨架,通过系统设计门控液体作为结构与功能材料,利用电化学调控固-液界面的物理化学性质,实现对微气泡尺寸的控制,并通过调控颗粒物与功能液体之间的相互作用,进而控制空气-水界面上的物质高效传递行为。

也就是说,该方法突破液体作为结构与功能材料如何实现高效传质的难题—— 液体门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,这样做的其中一个好处是,实现对污染物处理量的数量级提升,从而在提高净化效率的同时也提高了净化器的尘容量。

此外,利用门控液体作为主要过滤材料,可以通过管路连接、自动化、程序化控制,进一步实现免维护、高效、低成本的系统运行,而且可以按照需要设计功能液体,赋予空气净化液门系统能够适合特定的净化需求,如抗菌能力、对气味和有害气体污染物的去除能力,以及耐腐蚀能力等。

换句话说,该空气净化系统可结合人工智能技术、微流控技术等集成应用,有望实现多种功能液体的快速调节,满足未来不同环境下的空气净化需求。

家里的空气净化系统何时能用上液体门?

那么,实验室的科研成果距离产品还有多远?

侯旭认为,目前实验室已经有很好技术储备,就等着业界伸出手来“接”。

据介绍,这一研究成果不仅能用在空气净化上,这种基于液基材料用于多相界面物质传输行为的门控机制,也将有助于推动物质的微量检测技术如病毒、细菌、毒品、重金属离子等,将促进微型反应器的开发及催化、乳化、制药等领域的研究和发展,在环境治理、节能膜材料、生物医学工程、航空航天等领域,具有广阔的应用前景。

(记者 佘峥 通讯员 欧阳桂莲)

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