侯旭教授團(tuán)隊(duì)在磁響應(yīng)液體門控技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展

廈門大學(xué)侯旭教授團(tuán)隊(duì)多年致力于“液體門控技術(shù)”的研究，該技術(shù)由侯旭等人首次提出。近幾年，侯旭團(tuán)隊(duì)將其發(fā)展具體成形。2020年世界權(quán)威化學(xué)組織國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）將“液體門控技術(shù)”評為該年度全球“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”（還包括人工智能、聚集誘導(dǎo)發(fā)光、核糖核酸疫苗等，其中僅有兩項(xiàng)由中國科學(xué)家提出并引領(lǐng)）。

近期，侯旭教授團(tuán)隊(duì)在磁響應(yīng)液體門控技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，開發(fā)了一種磁性膠體門控系統(tǒng)，并展示了該系統(tǒng)在微流體控制、藥物釋放、化學(xué)反應(yīng)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。在該研究中，研究者還建立了一種實(shí)時表征限域空間中膠體聚集力學(xué)的新技術(shù)。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）。

在微觀尺度，限域膠體（受限在小空間內(nèi)的膠體）可表現(xiàn)出復(fù)雜、有趣、獨(dú)特的聚集行為：自組裝形成漩渦、相干運(yùn)動或相分離狀態(tài)。研究表明，通過控制限域膠體的微觀組裝結(jié)構(gòu)或群聚狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)微流體泵送、流體驅(qū)動或溶質(zhì)傳輸。 然而，對限域膠體聚集行為的精確調(diào)控仍然充滿挑戰(zhàn)，原因在于：

膠體懸浮液體系非常復(fù)雜；

限域空間的尺寸與膠體粒徑在同一量級，因此很難確定膠體之間的相互作用力，以及膠體懸浮液與限域幾何維度的相互作用力；

目前對限域膠體力學(xué)行為的研究方法主要集中在顯微觀察和理論模擬，缺乏直觀表征膠體相互作用力的技術(shù)手段。

針對這一挑戰(zhàn)，侯旭教授團(tuán)隊(duì)基于液體門控技術(shù)，將磁性膠體懸浮液限域在同一微觀尺度的多孔材料中，構(gòu)筑了一種全新的磁性膠體門控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用壓力驅(qū)動的非互溶流體作為有效誘導(dǎo)，可以實(shí)時表征限域膠體的力學(xué)性能，在動態(tài)調(diào)控和精確調(diào)控微流體等方面均可應(yīng)用。 多孔結(jié)構(gòu)為膠體提供了有效的限域空間，通過毛細(xì)力將膠體懸浮液穩(wěn)定在其中，形成了“多孔結(jié)構(gòu)-膠體載液-膠體顆?！敝g的“固-液-固”界面體系。利用磁場，可以對限域膠體的聚集行為進(jìn)行非接觸調(diào)控，調(diào)節(jié)膠體聚集的有序度（熵），從而改變流體通過膠體門控所需的壓強(qiáng)閾值。 研究者建立了該壓強(qiáng)閾值與膠體熵之間的量化關(guān)系。其中，膠體熵及流體輸運(yùn)閾值與膠體濃度、限域空間尺寸、膠體懸浮液的飽和度、磁場強(qiáng)度、磁場方向密切相關(guān)。因此，對限域比與膠體濃度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)對膠體聚集結(jié)構(gòu)的控制。在一定的膠體濃度下，壓強(qiáng)閾值隨著膠體懸浮液在多孔材料中飽和度的增大而增大，隨著磁場強(qiáng)度的增加而增加。此外，隨著磁場方向從平行、傾斜、到垂直于輸運(yùn)方向，輸運(yùn)流體的跨膜壓強(qiáng)閾值逐漸增大。因此，在流體輸運(yùn)的過程中，調(diào)控磁場強(qiáng)度或方向即可動態(tài)調(diào)控流體的傳輸能力。

磁性膠體門控在不同磁場強(qiáng)度和方向下的動態(tài)調(diào)控 磁性膠體門控具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗污性能。該研究為實(shí)時表征限域膠體的力學(xué)性能提供了全新的技術(shù)手段，為微流體控制、藥物釋放、化學(xué)反應(yīng)控制等領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇，也將促進(jìn)膠體科學(xué)、膜科學(xué)和微流體力學(xué)的發(fā)展。 廈門大學(xué)博士后盛智芝（現(xiàn)為中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所副研究員）、張猛創(chuàng)（現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院助理教授）、博士生劉靜為論文共同一作，廈門大學(xué)侯旭教授為論文的通訊作者，該工作的合作者還包括馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所與斯圖加特大學(xué)的Paolo Malgaretti教授，麥吉爾大學(xué)的李劍宇教授等。

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