撰稿 | 陳柏屹（廈門大學，博士后）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

傳統(tǒng)膜材料已有了相當長的發(fā)展歷史，為實現(xiàn)應(yīng)用提供了豐富的材料選擇。在此基礎(chǔ)上，如果能實現(xiàn)傳統(tǒng)膜材料功能和性能的全面提升，將極大地擴展現(xiàn)在膜材料的應(yīng)用范圍。向自然學習是新材料和新體系發(fā)展的永恒主題。

不同于傳統(tǒng)固體多孔膜、液膜的概念，液體門控技術(shù)是指微尺度孔道利用毛細力作用，將液體穩(wěn)定地填充在孔道內(nèi)部，在一定壓力下迅速開啟，在膜材料孔道內(nèi)壁形成有液體層的通路，并具有可逆調(diào)控性。其液體層可為液體門控膜材料提供動態(tài)分子級平整的界面，因此具有優(yōu)異的抗污與節(jié)能性質(zhì)，有助于解決與膜科學相關(guān)領(lǐng)域的重大科學與應(yīng)用問題。

然而，液體門控技術(shù)的發(fā)展仍處于早期階段，其發(fā)展仍舊面臨較大挑戰(zhàn)，比如單一的壓力驅(qū)動難以應(yīng)對復(fù)雜的流體控制場景。

因此在壓力驅(qū)動的基礎(chǔ)上，探索多元化的外場控制，如光場、電場、磁場、熱場等，進一步擴大液體門控的應(yīng)用場景就顯得尤為重要。對于多元化的外場控制，光控具有靈活的非接觸式控制和高時空分辨率的固有優(yōu)勢，主要包括光物理和光化學機制，二者具有各自的優(yōu)勢和相對的應(yīng)用場景。

對于氣體閥門來說，以一種安全且穩(wěn)定的方式精準無接觸地控制氣體流動是至關(guān)重要的，因為它需要保證各類氣體參與過程的可行性和穩(wěn)定性，如天然氣開采，發(fā)酵，多相分離，軟體機器人及諸多其他領(lǐng)域。

但是氣體閥門的改進依舊面臨很大的挑戰(zhàn)，特別是對于氣體在指定位置的穩(wěn)定輸送，這通常依賴基于外部能量輸入的復(fù)雜自動化控制系統(tǒng)。此外，許多氣體傳輸系統(tǒng)都需要穩(wěn)定無干擾的單場刺激來實現(xiàn)安全精確的流體控制。

因此，響應(yīng)于局部單一物理刺激的光化學反應(yīng)，在穩(wěn)定精確的非接觸氣流控制方面顯示出了極大的優(yōu)勢。

鑒于此，廈門大學化學化工學院與物理科學與技術(shù)學院雙聘教授侯旭所帶領(lǐng)的研發(fā)團隊發(fā)展了一種全新的非熱效應(yīng)紫外光響應(yīng)液體門控技術(shù)，實現(xiàn)了具有抗腐蝕性能的精準光控氣體閥門(light-responsive and corrosion-resistant gas valve, LCGV)應(yīng)用，有望應(yīng)用于多領(lǐng)域微流控體系中非接觸式、精確的氣體反應(yīng)控制(圖1)。

圖1 光響應(yīng)耐腐蝕氣體閥門（LCGV）的工作原理

該研究成果以 Light-responsive and corrosion-resistant gas valve with non-thermal effective liquid-gating positional flow control 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

為了實現(xiàn)合理精確的光響應(yīng)固-液界面設(shè)計，本文利用偶氮苯基分子光開關(guān)的光異構(gòu)化來調(diào)節(jié)金屬多孔膜與門控液體之間的固-液相互作用，構(gòu)筑基于光響應(yīng)液體門控技術(shù)的抗腐蝕精準光控氣體閥門(LCGV)，在紫外光作用下，LCGV閥門可以在無熱干擾的情況下調(diào)節(jié)傳輸氣體所的過膜臨界壓強，對其進行可逆的開關(guān)控制。

在液體門控體系中，臨界壓力閾值，即氣體克服固體膜孔道對門控液體毛細作用所需要的力。如圖2所示，氣體必須使門控液體界面變形才能進入固體膜孔道。由于沒有紫外照射時多孔膜表面修飾的反式分子光開關(guān)與非極性門控液體的固-液相互作用較強，氣體過膜臨界壓強較高，在恒定壓力ΔP下氣體無法排開門控液體通過多孔膜。而在紫外光作用下，分子光開關(guān)由反式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖?，?液相互作用減弱，在ΔP驅(qū)動下，氣體通過多孔膜并形成具有液體內(nèi)襯的通道。此外，由于毛細作用能夠使液體重構(gòu)填充孔道而非將其排出，因此膜孔道會隨著光異構(gòu)的轉(zhuǎn)變重新閉合，進而實現(xiàn)氣體輸運的動態(tài)可逆調(diào)節(jié)。

圖2 光調(diào)控氣體輸運示意圖

圖3 LCGV體系的抗腐蝕性能

在腐蝕實驗中，使腐蝕性氣體分別通過沒有門控液的不銹鋼網(wǎng)(SSM)和LCGV一段時間。與SSM的快速劇烈腐蝕相比，LCGV體系由于門控液具有化學惰性，防止腐蝕氣體與金屬膜接觸，即使在強制通過腐蝕氣體1小時后，LCGV仍具有良好的化學耐腐蝕性。

在光控氣體輸運應(yīng)用中，LCGV實現(xiàn)了恒壓作用下位置精準的氣體觸發(fā)顯色反應(yīng)(圖4)。一般來說，大多數(shù)涉及氣體參與的化學反應(yīng)都伴隨著體系壓強的變化。但不穩(wěn)定的壓強條件會影響反應(yīng)的穩(wěn)定性、產(chǎn)率甚至安全性。LCGV可在恒壓條件下靈活精確地控制氣體傳輸，保證了氣體反應(yīng)的穩(wěn)定、安全、有效。

圖4 LCGV的精準光控氣體傳輸應(yīng)用演示

本文基于材料界面物理化學設(shè)計，開發(fā)了一種全新的非熱效應(yīng)紫外光響應(yīng)液體門控技術(shù)，實現(xiàn)了具有抗腐蝕性能的精準光控氣體閥門(LCGV)應(yīng)用。

由于門控液體的保護，該氣體閥門具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。此外，結(jié)合紫外光非接觸調(diào)控以及高時空分辨率的固有優(yōu)勢，該氣體閥門實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)壓力下無熱干擾的精準光控氣體傳輸，表明了這種新型氣閥在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，例如微流控體系中的氣體反應(yīng)控制，軟體機器人等等。

論文信息：

Chen, B., Zhang, R., Hou, Y. et al. Light-responsive and corrosion-resistant gas valve with non-thermal effective liquid-gating positional flow control. Light Sci Appl 10, 127 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00568-9

本文第一作者為廈門大學化學化工學院博士后陳柏屹，化學化工學院碩士生張榮榮為共同第一作者，通訊作者為廈門大學化學化工學院及物理科學與技術(shù)學院雙聘教授侯旭。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00568-9

論文傳送門在此，請進>

編輯 | 趙陽

歡迎課題組投遞成果宣傳稿

轉(zhuǎn)載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

每天帶您讀1篇文獻！加入>Light讀書會