用于膜科學技術創新的液體門控的動態界面設計

褚良銀

四川大學化學工程學院，成都 610065

傳統固體多孔膜與液體門控膜的區別1。

隨著現代科學技術的迅速發展，越來越多的膜材料問題擺在人們的面前，已成為許多學科發展與應用的瓶頸，如石油化工中分離膜的微孔界面可控性問題、能源材料中電池隔膜的界面穩定性問題、生物醫學工程中血液凈化膜的界面相容性問題等。傳統膜材料的發展已經歷了較長的歷史，目前也已經有了較豐富的膜材料種類；但是，迄今在膜材料設計與開發方面仍然存在許多具有挑戰性的問題。其中，最令人關心的問題之一是如何實現膜材料的智能門控1。

對于固體多孔膜材料，雖然提供了材料骨架的穩定性，但其材料界面很難避免吸附與微結構缺陷等問題；而對于流動態的液體，液體材料界面分子級平整，但時時處于流動態，不易固定。受生物肺泡孔的啟發，侯旭等提出液體復合多孔固體膜材料界面設計，即基于限域空間中流體界面設計的液體門控的全新概念—“液體在限域孔道中毛細力作用下穩定填充在孔道內部，形成一種閉合狀態的液體門控，液體門控在一定壓力下迅速開啟，形成孔道內壁有液體層的通路，該液體門控狀態能夠可逆調控”2。液體門控膜材料把傳統固/氣和固/液界面物理化學的科學問題轉移到固/液/氣和固/液/液界面1,3。門控液體界面設計可以動態調控微流體系統中氣-液運輸以及分離氣-水-油三相混合物，并且穩定的液層可以賦予該系統優異的抗污染性能4。不同于原有膜材料固/液界面設計的局限，使膜材料同時具有柔性(液相)和剛性(固相)兩部分特有的功能，并且能高效穩定地響應外界壓力的變化。相比于固體膜界面，液體復合膜界面是一種分子級平整的界面。此外，液體具有流動性，可根據外部條件任意改變形狀，使其成為一種理想的無缺陷門控膜材料。

新概念膜材料的提出也帶來了全新的挑戰，如何設計和制備更加可控、穩定的膜材料體系，將會在很大程度上推動該新體系的發展與應用。廈門大學侯旭教授研究組首次提出通過構筑具有響應性的材料界面體系來設計制備液體門控膜材料，從而為液體門控面向智能應用帶來新思路5。

多相流體的膜分離研究對石油化工、天然氣開采、水處理、生物醫學工程、發酵工程等領域具有重要的意義。如何實現在恒壓環境下的動態可控多相分離一直以來面臨著巨大的技術挑戰。侯旭教授研究組建立應力響應性液體門控膜系統，應用于恒壓環境下多相流體的動態膜分離的方法6。研究組將功能液體與彈性體材料復合形成穩定的膜體系，其中功能液體由毛細力穩定在彈性體多孔膜中，形成了一種應力響應的液體門控，并通過對彈性體膜材料孔徑的動態調控，改變液門的開關閾值，實現多相流體的恒壓分離，為膜分離、多相微反應、多相催化、材料合成、燃料電池等領域帶來新機遇。

如果液體門控膜的孔徑太大，過膜工作壓強很低，使得其應用范圍受到限制；而如果膜孔徑太小，對膜的機械強度要求很高。面對這一問題，侯旭教授研究組開發了一種非常穩定的金屬基液體門控膜材料，使用不銹鋼箔作為膜基底材料，并通過電化學刻蝕方法制備孔徑可調的多孔膜，并進一步采用電化學沉積方法，在多孔膜表面沉積金屬氧化物層，用于增加膜的表面粗糙度和內部孔隙，為增強門控液與多孔金屬膜之間的親和力，從而構建了更加穩定的液門系統7。

除了膜分離的應用，侯旭教授研究組還將表面活性劑作為門控液體，基于其雙親分子與特定金屬離子在多孔膜材料界面具有動態化學構象重排行為，建立了離子響應性液體門控膜體系，并將其應用于離子檢測8。待測離子與表面活性劑雙親分子的相互作用，使門控液體的表面張力降低，進而降低氣體過膜壓強閾值。研究組采用密度泛函理論計算得到表面活性劑雙親分子與待檢測金屬離子的最優結構和雙親分子的偶極矩。該體系進行離子檢測時，檢測信號可以最終通過可視化的標記液滴的移動來表達，且檢測過程直觀無需耗費電能。該液體門控膜檢測體系操作簡單，可微型化使用，不僅可以應用在重金屬污染物與毒品便攜式快速微量檢測應用中，同時也在食品安全、環境監測、醫療診斷等領域具有廣闊的應用前景。同時，研究組為獲得對檢測過膜壓強閾值的更多表達方法，提出“可移動液體門控膜”的概念，不同于之前固定的液體門控膜，移動液門系統的出現，可以更加靈活的設計門控液體來調控壓力驅動下的門控膜的移動特性，帶來更加豐富的可視化的標記液滴的移動表達信息9。

上述研究工作近期在ACS Nano, National Science Review, Angewandte Chemie International Edition, Small,Industrial & Engineering Chemistry Research,ScienceAdvances,Nature Communications上在線發表3–9。這些工作創新性設計的液體門控技術為智能膜材料、多相分離、化學檢測、3D打印、生物醫學工程以及環境治理等眾多領域的創新研究提供了新的思路。