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科研成果

液體門(mén)控技術(shù)簡(jiǎn)介ABOUT LIQUID GATING TECHNOLOGY

        通過(guò)向自然學(xué)習(xí),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(jì)中發(fā)展出的液體門(mén)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(jì)的局限性。同時(shí)通過(guò)對(duì)多孔固體骨架和門(mén)控液體的協(xié)同設(shè)計(jì),構(gòu)建具有特殊性能的液體門(mén)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在外場(chǎng)刺激下的響應(yīng)性流體開(kāi)關(guān)功能。2020年,“液體門(mén)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(mén)控技術(shù)提高傳統(tǒng)膜系統(tǒng)的普適性,這對(duì)膜科學(xué)與技術(shù)、微流控等多個(gè)交叉學(xué)科的發(fā)展帶來(lái)了具有里程碑式的意義”(來(lái)自“中國(guó)化學(xué)會(huì)”2020年10月23日發(fā)布內(nèi)容)。2023年“液體門(mén)控技術(shù)” 寫(xiě)入大學(xué)本科基礎(chǔ)教材。
優(yōu)點(diǎn)
抗污
抗腐蝕
自適應(yīng)
節(jié)能
可重構(gòu)
分子級(jí)平整界面
應(yīng)用場(chǎng)景
生態(tài)環(huán)境
生物醫(yī)學(xué)
藥物篩選
 物質(zhì)檢測(cè)
 碳中和
 航空航天等領(lǐng)域

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

        一種以液體為結(jié)構(gòu)材料的液體門(mén)控機(jī)制與技術(shù),將多孔固體骨架與門(mén)控液體通過(guò)毛細(xì)作用復(fù)合。多孔固體骨架的設(shè)計(jì)側(cè)重于構(gòu)成多孔骨架的固體材料和門(mén)控液體之間的界面相互作用。固體材料需要滿(mǎn)足三個(gè)條件:①可以被門(mén)控液體浸潤(rùn);②與門(mén)控液體間的浸潤(rùn)性?xún)?yōu)于固體材料與傳輸流體間的浸潤(rùn)性,使得流體在傳輸過(guò)程中,門(mén)控液體不會(huì)被傳輸流體取代;③與門(mén)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(mén)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(mén)控液體的設(shè)計(jì)側(cè)重于門(mén)控液體和傳輸流體間的相互作用。傳輸流體與門(mén)控液體間的不混溶性是選擇門(mén)控液體最基本的先決條件:當(dāng)傳輸流體為氣體時(shí),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(mén)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(mén)控液體。常用的門(mén)控液體有礦物油、硅油、全氟液體等。

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

        液體門(mén)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(guò)孔隙時(shí)只與門(mén)控液體接觸而不接觸固體膜材料本身。在液體門(mén)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(xué)問(wèn)題將轉(zhuǎn)化為固/液/氣或固/液/液界面之間的問(wèn)題,液體的引入使得液體門(mén)控膜具有優(yōu)異的抗污性、節(jié)能性及可設(shè)計(jì)性,以滿(mǎn)足不同功能需求;同時(shí),由于不同種類(lèi)的傳輸流體突破氣/液或液/液界面所需的壓強(qiáng)不同,每種流體都具有特定的跨膜壓強(qiáng)閾值,這賦予了液體門(mén)控復(fù)合膜選擇性分離不同種類(lèi)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(dòng)的門(mén)控液體。當(dāng)傳輸流體經(jīng)過(guò)系統(tǒng)時(shí),傳輸流體與門(mén)控液體之間形成一個(gè)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(guò)液體門(mén)控復(fù)合膜,實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程所需的最小壓強(qiáng)就是跨膜壓強(qiáng)閾值(P閾值)。當(dāng)傳輸流體的壓強(qiáng)(?P)<P閾值時(shí),液體在毛細(xì)作用下填充封閉孔隙;反之,液體門(mén)被打開(kāi),傳輸流體流過(guò)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(mén)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀DEVELOPMENT OF LIQUID GATING SYSTEM

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