用“液體門”淨化空氣廈大“玩水”的科學家破解技術難關
侯旭團隊設計的“響應性液體門控”概念圖。（受訪者 供圖）
廈門網訊（廈門日報記者 佘崢 通訊員 歐陽桂蓮）科幻片裡的“液體門”，現在被中國科學家用在空氣淨化上——廈大侯旭教授團隊首次運用“液體門控技術”，打通現有空氣淨化的技術痛點，實現對空氣高效過濾，使得細菌、顆粒物完美被吸附，為空氣清淨機的設計提供了全新的思路。
這一成果發表在北京時間26日23時上線的世界頂級科學雜誌《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，論文得到西北工業大學臧渡洋團隊的支援。
空氣汙染對人類威脅越來越大，空氣過濾淨化系統比任何時候更重要，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：空氣淨化系統的“門”是固體材料，微小物質穿過時，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汙染或堵塞。
侯旭團隊運用“液體門控技術”來解決空氣清淨機的痛點。39歲的侯旭是“液體門控技術”發明人，他被稱為“玩水”的科學家。
科幻電影《星際之門》裡，人類透過液態星門，來實現物質在宇宙的瞬間傳送。但是，液體真能做門嗎？
侯旭說，宏觀尺度下的確不行，但是，微觀世界裡是可獲得液體門，而且關上液體門，城裡的衝不出來，城外的也殺不進來，開啟門時暢通無阻，不留殘渣。
但是，把“液體門控”運用到空氣淨化技術，面臨很多挑戰。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，此次空氣淨化應用基礎研究工作，是液體門控的又一提升——其核心突破在於解開了流動的液體作為結構與功能材料去實現微泡三相介面上（氣液固）的高效傳質難題，而且，由於換成液體門，實現對汙染物處理量的數量級提升，從而在提高淨化效率的同時也提高了淨化器的塵容量。
侯旭認為，目前實驗室已經有很好的空氣淨化系統液體門控的技術儲備，就等著業界伸出手來“接”。
【解讀】
現在的空氣淨化系統不完美在哪裡?
侯旭團隊的研究成果的意義，要從空氣汙染說起。
人類越來越面臨汙染的挑戰，持續不斷的霧霾天氣，使呼吸道疾病患者爆發性的增長，也造成經濟、社會問題，其中，顆粒物濃度是空氣汙染的一項重要指標。
目前，去除這些顆粒物最有效的方法是空氣過濾淨化系統，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，由於顆粒在其表面和內部孔隙的堆積，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，現在空氣淨化系統的“門”大多是固體材料，在微小物質穿過時，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汙染或堵塞，這同樣也是我們在水處理、海水淡化中經常碰到的汙染難題。
因此，科學家們面臨的任務是：如何開發淨化效率高、使用壽命長、無需複雜維護的淨化系統，解決傳統行業的痛點。
液體真能做成門?
侯旭團隊發表的最新論文顯示，他們運用“液體門控技術”來解決空氣清淨機的痛點。這裡有背景：39歲的侯旭是“液體門控技術”發明人，他被稱為“玩水”的科學家。
科幻電影《星際之門》裡，人類透過液態星門，來實現物質在宇宙的瞬間傳送。但是，液體真能做門嗎？
侯旭說，在宏觀尺度下，液體由於受到重力、離心力等的影響，不停流動，的確無法固定。但是，在微觀世界裡，透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，將液體能夠穩定地存在於微孔裡面，即可獲得液體門。而且，在壓力的梯度下，它就能實現可逆開關的功能——相當於壓力是一把鑰匙，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透過，但在特定的壓力作用下，液體門開啟時，物質就能順利透過。
用大白話說，侯旭提出的液體門，由於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，城裡的衝不出來，城外的也殺不進來，而開啟門時暢通無阻，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”在哪裡?
液體門這麼香，但是，把“液體門控”運用到空氣淨化技術，面臨很多挑戰，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介面，還有門控液體和汙染空氣上面具有功能的液氣介面，如何實現響應性液門系統的穩定性和可控性，如何產生均勻的微泡，以及如何控制微泡三相介面上的高效傳質問題等。
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，此次空氣淨化應用基礎研究工作，是液體門控的又一提升——其核心在於將表面潤溼性可調的電化學多孔膜作為固體骨架，透過系統設計門控液體作為結構與功能材料，利用電化學調控固-液介面的物理化學性質，實現對微氣泡尺寸的控制，並透過調控顆粒物與功能液體之間的相互作用，進而控制空氣-水介面上的物質高效傳遞行為。
也就是說，該方法突破液體作為結構與功能材料如何實現高效傳質的難題—— 液體門將傳統固體材料對汙染物過濾所使用的有效表面積，轉換成液體材料對汙染物過濾吸收的有效體積，這樣做的其中一個好處是，實現對汙染物處理量的數量級提升，從而在提高淨化效率的同時也提高了淨化器的塵容量。
此外，利用門控液體作為主要過濾材料，可以透過管路連線、自動化、程式化控制，進一步實現免維護、高效、低成本的系統執行，而且可以按照需要設計功能液體，賦予空氣淨化液門系統能夠適合特定的淨化需求，如抗菌能力、對氣味和有害氣體汙染物的去除能力，以及耐腐蝕能力等。
換句話說，該空氣淨化系統可結合人工智慧技術、微流控技術等整合應用，有望實現多種功能液體的快速調節，滿足未來不同環境下的空氣淨化需求。
家裡的空氣淨化系統何時能用上液體門?
那麼，實驗室的科研成果距離產品還有多遠？
侯旭認為，目前實驗室已經有很好技術儲備，就等著業界伸出手來“接”。
據介紹，這一研究成果不僅能用在空氣淨化上，這種基於液基材料用於多相介面物質傳輸行為的門控機制，也將有助於推動物質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及催化、乳化、製藥等領域的研究和發展，在環境治理、節能膜材料、生物醫學工程、航空航天等領域，具有廣闊的應用前景。
