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科研成果

液體門控技術(shù)簡介ABOUT LIQUID GATING TECHNOLOGY

        通過向自然學習,將液體作為結(jié)構(gòu)與功能材料引入到多孔固體材料的設(shè)計中發(fā)展出的液體門控技術(shù),可利用液體的特性突破傳統(tǒng)固體多孔材料設(shè)計的局限性。同時通過對多孔固體骨架和門控液體的協(xié)同設(shè)計,構(gòu)建具有特殊性能的液體門控系統(tǒng)可實現(xiàn)在外場刺激下的響應(yīng)性流體開關(guān)功能。2020年,“液體門控技術(shù)”入選世界權(quán)威組織IUPAC的全球十大新興技術(shù),官方指出“液體門控技術(shù)提高傳統(tǒng)膜系統(tǒng)的普適性,這對膜科學與技術(shù)、微流控等多個交叉學科的發(fā)展帶來了具有里程碑式的意義”(來自“中國化學會”2020年10月23日發(fā)布內(nèi)容)。2023年“液體門控技術(shù)” 寫入大學本科基礎(chǔ)教材。
優(yōu)點
抗污
抗腐蝕
自適應(yīng)
節(jié)能
可重構(gòu)
分子級平整界面
應(yīng)用場景
生態(tài)環(huán)境
生物醫(yī)學
藥物篩選
 物質(zhì)檢測
 碳中和
 航空航天等領(lǐng)域

液體門控技術(shù)的設(shè)計DESIGN OF LIQUID GATING SYSTEM

        一種以液體為結(jié)構(gòu)材料的液體門控機制與技術(shù),將多孔固體骨架與門控液體通過毛細作用復(fù)合。多孔固體骨架的設(shè)計側(cè)重于構(gòu)成多孔骨架的固體材料和門控液體之間的界面相互作用。固體材料需要滿足三個條件:①可以被門控液體浸潤;②與門控液體間的浸潤性優(yōu)于固體材料與傳輸流體間的浸潤性,使得流體在傳輸過程中,門控液體不會被傳輸流體取代;③與門控液體間的界面能需要匹配,使得傳輸流體的壓力釋放后,門控液體能在孔隙間重新配置恢復(fù)到原始的關(guān)閉狀態(tài)。門控液體的設(shè)計側(cè)重于門控液體和傳輸流體間的相互作用。傳輸流體與門控液體間的不混溶性是選擇門控液體最基本的先決條件:當傳輸流體為氣體時,可選擇不易蒸發(fā)、不與傳輸氣體反應(yīng)的水基或油基液體作為門控液體;若傳輸流體是液體,例如水溶液,則應(yīng)選擇與之不混溶的油基液體作為門控液體。常用的門控液體有礦物油、硅油、全氟液體等。

液體門控技術(shù)的門控行為GATING BEHAVIORS OF LIQUID GATING SYSTEM

        液體門控技術(shù)與傳統(tǒng)膜技術(shù)的核心區(qū)別在于,傳輸流體在通過孔隙時只與門控液體接觸而不接觸固體膜材料本身。在液體門控技術(shù)中,傳統(tǒng)的發(fā)生在固/氣或固/液界面之間的科學問題將轉(zhuǎn)化為固/液/氣或固/液/液界面之間的問題,液體的引入使得液體門控膜具有優(yōu)異的抗污性、節(jié)能性及可設(shè)計性,以滿足不同功能需求;同時,由于不同種類的傳輸流體突破氣/液或液/液界面所需的壓強不同,每種流體都具有特定的跨膜壓強閾值,這賦予了液體門控復(fù)合膜選擇性分離不同種類的流體的能力。

        (a) 穩(wěn)定存在于微米/納米尺度孔隙中的液體可作為一種可逆的、可重構(gòu)的受壓力驅(qū)動的門控液體。當傳輸流體經(jīng)過系統(tǒng)時,傳輸流體與門控液體之間形成一個界面;(b)(c)在一定壓力下,傳輸流體使氣/液或液/液界面變形并通過液體門控復(fù)合膜,實現(xiàn)這一過程所需的最小壓強就是跨膜壓強閾值(P閾值)。當傳輸流體的壓強(?P)<P閾值時,液體在毛細作用下填充封閉孔隙;反之,液體門被打開,傳輸流體流過孔隙,并在孔隙內(nèi)形成具有穩(wěn)定氣/液或液/液界面的功能性液體襯里。

液體門控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀DEVELOPMENT OF LIQUID GATING SYSTEM

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