用“液體門”凈化空氣 廈大“玩水”的科學家破解技術難關

　　科幻片里的“液體門”，現(xiàn)在被中國科學家用在空氣凈化上——廈大侯旭教授團隊首次運用“液體門控技術”，打通現(xiàn)有空氣凈化的技術痛點，實現(xiàn)對空氣高效過濾，使得細菌、顆粒物完美被吸附，為空氣凈化器的設計提供了全新的思路。

　　這一成果發(fā)表在北京時間26日23時上線的世界頂級科學雜志《自然》上。廈門大學化學化工學院博士生張運茂為論文的第一作者，通訊作者是廈大化學化工學院、物理科學與技術學院雙聘教授侯旭，論文得到西北工業(yè)大學臧渡洋團隊的支持。

　　空氣污染對人類威脅越來越大，空氣過濾凈化系統(tǒng)比任何時候更重要，它多由多層纖維膜或多孔材料組成的過濾膜單元構成。不過，它有致命點:空氣凈化系統(tǒng)的“門”是固體材料，微小物質(zhì)穿過時，常常把它們中的“胖子”卡住了，讓其進出不得，久而久之，“胖子”堆積如山，過濾的膜材料就會被污染或堵塞。

　　侯旭團隊運用“液體門控技術”來解決空氣凈化器的痛點。39歲的侯旭是“液體門控技術”發(fā)明人，他被稱為“玩水”的科學家。

　　科幻電影《星際之門》里，人類通過液態(tài)星門，來實現(xiàn)物質(zhì)在宇宙的瞬間傳送。但是，液體真能做門嗎？

　　侯旭說，宏觀尺度下的確不行，但是，微觀世界里是可獲得液體門，而且關上液體門，城里的沖不出來，城外的也殺不進來，打開門時暢通無阻，不留殘渣。

　　但是，把“液體門控”運用到空氣凈化技術，面臨很多挑戰(zhàn)。侯旭團隊此次成果就是在這些方面取得了系列重要突破。侯旭說，這是一項“土生土長”的科學研究。

　　侯旭說，此次空氣凈化應用基礎研究工作，是液體門控的又一提升——其核心突破在于解開了流動的液體作為結構與功能材料去實現(xiàn)微泡三相界面上（氣液固）的高效傳質(zhì)難題，而且，由于換成液體門，實現(xiàn)對污染物處理量的數(shù)量級提升，從而在提高凈化效率的同時也提高了凈化器的塵容量。

　　侯旭認為，目前實驗室已經(jīng)有很好的空氣凈化系統(tǒng)液體門控的技術儲備，就等著業(yè)界伸出手來“接”。

　　【解讀】

　　現(xiàn)在的空氣凈化系統(tǒng)不完美在哪里？

　　侯旭團隊的研究成果的意義，要從空氣污染說起。

　　人類越來越面臨污染的挑戰(zhàn)，持續(xù)不斷的霧霾天氣，使呼吸道疾病患者爆發(fā)性的增長，也造成經(jīng)濟、社會問題，其中，顆粒物濃度是空氣污染的一項重要指標。

　　目前，去除這些顆粒物最有效的方法是空氣過濾凈化系統(tǒng)，它多由多層纖維膜或多孔材料組成的過濾膜單元構成。然而，由于顆粒在其表面和內(nèi)部孔隙的堆積，這些過濾單元將不可避免地遭受堵塞問題，其表面的容塵能力從根本上限制了這類過濾裝置的效率和使用壽命。

　　侯旭解釋說，現(xiàn)在空氣凈化系統(tǒng)的“門”大多是固體材料，在微小物質(zhì)穿過時，常常把它們中的“胖子”卡住了，讓其進出不得，久而久之，“胖子”堆積如山，過濾的膜材料就會被污染或堵塞，這同樣也是我們在水處理、海水淡化中經(jīng)常碰到的污染難題。

　　因此，科學家們面臨的任務是:如何開發(fā)凈化效率高、使用壽命長、無需復雜維護的凈化系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)行業(yè)的痛點。

　　液體真能做成門？

　　侯旭團隊發(fā)表的最新論文顯示，他們運用“液體門控技術”來解決空氣凈化器的痛點。這里有背景:39歲的侯旭是“液體門控技術”發(fā)明人，他被稱為“玩水”的科學家。

　　科幻電影《星際之門》里，人類通過液態(tài)星門，來實現(xiàn)物質(zhì)在宇宙的瞬間傳送。但是，液體真能做門嗎？

　　侯旭說，在宏觀尺度下，液體由于受到重力、離心力等的影響，不停流動，的確無法固定。但是，在微觀世界里，通過在一些固體支架上設計多孔結構形成門框，利用毛細力作用，將液體能夠穩(wěn)定地存在于微孔里面，即可獲得液體門。而且，在壓力的梯度下，它就能實現(xiàn)可逆開關的功能——相當于壓力是一把鑰匙，在合適的鑰匙（壓力）下，液體門就可以開和關。當液體門關時，就連氣體分子也無法通過，但在特定的壓力作用下，液體門打開時，物質(zhì)就能順利通過。

　　用大白話說，侯旭提出的液體門，由于液體的表面具有分子級的光滑，整個表面沒有任何縫隙與缺陷，因此，關上液體門，城里的沖不出來，城外的也殺不進來，而打開門時暢通無阻，不留殘渣。而且“液體門”對壓力很敏感，靈敏度較高，開關迅速自如。

　　侯旭團隊的成果“新”在哪里？

　　液體門這么香，但是，把“液體門控”運用到空氣凈化技術，面臨很多挑戰(zhàn)，例如如何設計獲得固體材料和門控液體上面具有可控的固液界面，還有門控液體和污染空氣上面具有功能的液氣界面，如何實現(xiàn)響應性液門系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，如何產(chǎn)生均勻的微泡，以及如何控制微泡三相界面上的高效傳質(zhì)問題等。

　　侯旭團隊的研究就是在這些方面取得了系列重要突破。

　　侯旭說，此次空氣凈化應用基礎研究工作，是液體門控的又一提升——其核心在于將表面潤濕性可調(diào)的電化學多孔膜作為固體骨架，通過系統(tǒng)設計門控液體作為結構與功能材料，利用電化學調(diào)控固-液界面的物理化學性質(zhì)，實現(xiàn)對微氣泡尺寸的控制，并通過調(diào)控顆粒物與功能液體之間的相互作用，進而控制空氣-水界面上的物質(zhì)高效傳遞行為。

　　也就是說，該方法突破液體作為結構與功能材料如何實現(xiàn)高效傳質(zhì)的難題—— 液體門將傳統(tǒng)固體材料對污染物過濾所使用的有效表面積，轉換成液體材料對污染物過濾吸收的有效體積，這樣做的其中一個好處是，實現(xiàn)對污染物處理量的數(shù)量級提升，從而在提高凈化效率的同時也提高了凈化器的塵容量。

　　此外，利用門控液體作為主要過濾材料，可以通過管路連接、自動化、程序化控制，進一步實現(xiàn)免維護、高效、低成本的系統(tǒng)運行，而且可以按照需要設計功能液體，賦予空氣凈化液門系統(tǒng)能夠適合特定的凈化需求，如抗菌能力、對氣味和有害氣體污染物的去除能力，以及耐腐蝕能力等。

　　換句話說，該空氣凈化系統(tǒng)可結合人工智能技術、微流控技術等集成應用，有望實現(xiàn)多種功能液體的快速調(diào)節(jié)，滿足未來不同環(huán)境下的空氣凈化需求。

　　家里的空氣凈化系統(tǒng)何時能用上液體門？

　　那么，實驗室的科研成果距離產(chǎn)品還有多遠？

　　侯旭認為，目前實驗室已經(jīng)有很好技術儲備，就等著業(yè)界伸出手來“接”。

　　據(jù)介紹，這一研究成果不僅能用在空氣凈化上，這種基于液基材料用于多相界面物質(zhì)傳輸行為的門控機制，也將有助于推動物質(zhì)的微量檢測技術如病毒、細菌、毒品、重金屬離子等，將促進微型反應器的開發(fā)及催化、乳化、制藥等領域的研究和發(fā)展，在環(huán)境治理、節(jié)能膜材料、生物醫(yī)學工程、航空航天等領域，具有廣闊的應用前景。（廈門日報記者 佘崢 通訊員 歐陽桂蓮）