厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!
▲ 侯旭课题组全家福,一家人最重要的就是整整齐齐

膜科学技术正迅速发展,并在许多领域发挥着越来越重要的作用,包括化学分析、食品生产、气体分离、废水处理、能源收集、医疗诊断与治疗等。在众多需求的驱使下,科学家们针对固体多孔膜的结构,化学组成,表面化学设计,来实现膜材料的特定功能。

尽管它们在上述领域中具有重要意义,但选择性和渗透性之间的平衡,污染问题,以及缺乏对不同环境的适应性是传统固体膜材料发展的卡脖子问题。液基多孔膜由于其在扩散性,动态性,抗污性,全憎性,自愈合与自适应等方面具有显著的优势而逐渐凸显。鉴于此,本文探讨了液基多孔膜的设计与应用研究思路,整理了该方向的发展历史,总结了其跨膜传输机制、液基复合膜材料的物理化学性能与优势,并进一步系统讨论了其在膜技术领域例如分离,萃取,智能门控系统和化学检测等最新应用进展。

1.1 前沿:液基多孔膜的定义

液基多孔膜由功能液体与多孔基底组成,液体由于毛细力作用被稳定在多孔薄膜中,两者相辅相成,共同创造动态且稳定、活跃的界面功能,通过化学驱动、物理驱动和物理化学驱动的传输机制,从而实现分离、发电、化学检测、萃取等实际应用。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲跨膜传输机制和液基多孔膜的经典应用:液基多孔膜由功能液体与多孔基底组成。其主要的跨膜传输机制为化学驱动输运、物理驱动输运、物理化学驱动输运。经典应用例如气体分离,手性分离,多相分离,发电,视觉化学检测和电膜萃取。

1.2 前言:液基多孔膜的发展历程

液基多孔膜的概念由来已久,早在1976年,支撑液膜(Supported Liquid Membrane)的概念被首次提出,并应用于金属离子分离;

2011年,美国哈佛大学Joanna Aizenberg教授提出滑移表面(Slippery Liquid-infused PorousSurface(s),SLIPS),其具有独特的抗污防冰性能、光学透明性与增强的压力稳定性,促进了液基材料的选择和潜在应用的发展;

2015年,液体门控膜(LiquidGating Membrane,液门)的概念被提出,液体由于毛细力作用而稳定地填充在多孔膜孔道中,形成闭合状态的液门。在一定压力下,液门可以迅速打开,形成孔道内壁有液体层的通路(liquid-lined pore),压力释放时液门闭合,从而实现液门可逆开关功能。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

液体基多孔膜的发展历程,包括功能液体和多孔膜的发展

2. 设计策略

本文主要综述了液基多孔膜中的液膜和液门

· 液膜关注的是液相中传质过程和物理化学反应。

· 液门注重非混相流体在膜间的传输行为。

2.1 设计策略:液膜

· 常见的液膜是料液相和接收相之间的选择性屏障薄膜,其中用于液膜的材料应与料液相与接收相均不混溶。

· 固体多孔膜和注入的功能液体之间的构效关系在界面设计中尤为重要,图中的理论模型可用来预测润湿行为、膜传输和液体中的扩散。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液膜设计策略:设计参数主要集中在固体多孔膜的结构和功能、注入液体的性质和功能上。理论模型可用于预测液体的润湿行为,膜传输和扩散

2.2 设计策略:液门

· 液体门控膜关注的是相态的传输。

· 液体门控膜利用毛细力稳定的液体作为压力驱动、可逆、可重构的液门,其可以在关闭状态下填充和密封微尺度孔隙,并在打开状态下形成液衬孔(liquid-lined pore)。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液门的设计策略:液门的界面设计集中于多孔膜和门控液体之间的固/液界面的设计,以及门控液体和输送流体之间的液/气或液/液界面的设计。

3. 跨膜传输机制

基于驱动力的类型,液基多孔膜的跨膜传输机制分为:

· 化学驱动机制;

· 物理驱动机制;

· 物理化学驱动机制。

3.1 跨膜传输机制:化学驱动

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 化学驱动跨膜输运机理及相应实例。

液膜主要是通过化学驱动的机制来实现各项功能,简单传质包括有化学反应和无化学反应,促进传输,耦合逆向传输,耦合协同传输,主动传输。

3.2 跨膜传输机制:物理驱动

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 物理驱动的跨膜传输机制:A. 压力驱动机制,B. 基于多孔膜的响应性外部驱动机制,C. 基于门控液体的响应性外部驱动机制。

液门主要是通过物理驱动的机制来实现各项功能:

· 向固体多孔膜注入强润湿的功能液体,使膜的孔隙完全密封;

· 在压力梯度的驱动下,输运流体可以使液体浸润的表面变形并进入膜的孔隙,跨膜临界压力由多孔膜与门控液之间的相互作用力决定的;

· 当施加的压力被释放时,功能液体将被重新配置,并在热力学上再次填充多孔膜孔隙。

应力场,磁场,热场,光学场、声场等外场可以进一步扩展液体门控膜的刺激响应性。

3.3 跨膜传输机制:物理化学驱动

通过物理化学驱动传输机制的策略,可以将液膜和液门的特点相结合,针对不同的应用来开发不同的液基多孔膜。

· 电场可提升萃取效率的液膜体系中,电动迁移代替被动扩散,因而成为主要的驱动力。

· 基于液门系统的可视化化学检测方法中,化学势梯度和压力梯度作为驱动力。液门体系能够将功能门控液体中双亲分子与待检测物质特异性相互作用导致的界面张力信息,转化为气体跨膜临界压力阈值变化信息。在检测时,该体系可动态调控通过薄膜的气体,拥有压力驱动标记物移动特性。

4. 性质与优势

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液基多孔膜的性能及优点:渗透性、选择性、稳定性、抗污性、自愈合性、节能性、可适应性

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液体基多孔膜的稳定性和抗污性:A. 液体基多孔膜的能量准则和长时间稳定性;B. 稳定的微尺度流动的液体基多孔系统;C. 抗悬浮液污染的测试;D. 抗有机分子和生物流体的测试。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液体基多孔膜的透明性和自愈合性:A. 与只有气袋的微通道相比,动态液体袋的微通道内血流清晰可见;B. 液基多孔膜在受到物理损伤后可恢复其抗污功能,使液滴在自愈合表面上滑动。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 液体基多孔膜的节能性和适应性:A. 与固体多孔膜相比,液基多孔膜的跨膜临界压力显著降低;B.  随着分离运行时间的增加,节能效果显著提升;C. 液体注入的GO/TPU弹性多孔膜在机械应力响应下可调控气体/液体传输;D. 通过控制温度来调控液体的渗透。

5. 新兴应用

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

液体材料可以提供独特的特性:

  1. 分子级光滑性
  2. 动态行为
  3. 自适应性

因而产生众多的新兴应用:

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 不同的门控应用:A.气体和液体在液门中可逆跨膜输运行为的调控;B. 恒压气液分离;C. 通过调节传输液体的极性来调控多相分离;D. 引导微尺度流动的双液体门控机制。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 可擦写,药物释放,液滴操作和可移动阀门的应用:A. 通过调节温度进行可擦除的书写;B. 药物释放;C. 液滴操控;D. 移动阀门。

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

▲ 基于液体门控的无电可视化的化学检测:A. 基于偶极诱导液体门控的检测原理图;B. Ca2+加入时,液体门控检测系统的关闭和打开状态的图示,图中显示了红色标记的移动;C. 不同阳离子的压力扰动指数。

6. 总结与展望

总结:

本文综述了液体基多孔膜的设计策略、跨膜传输机制、性能与优势,并展示了液体基多孔膜的最新应用。

展望:

  • 复杂的跨膜传输机制尚不明确。
  • 液基多孔膜的稳定性一直是本领域的研究重点。
  • 门控打开时,动态监测限域空间中功能液体的液层厚度将十分重要。
  • 构建化学修饰且具有形貌结构的固体多孔膜,使体系能够精确地、灵敏地适应各种刺激;反应灵敏的液体已经成为人们关注的焦点,可改善固/液粘附性和稳定性 。
  • 为了满足工业生产,例如化学分离、水处理、食品制造、催化剂、能源储存转换等,液基多孔膜的扩大生产势在必行。

该工作在厦门大学化学化工学院侯旭教授的指导下完成,厦门大学侯旭课题组博士后盛智芝与2018级硕博连读生张俭为论文的共同第一作者。

侯旭课题组介绍

盛智芝

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

中国科学院苏州纳米所,副研究员(2020-至今)

厦门大学侯旭课题组博士后(2016-2020)

主要从事智能孔道材料、响应性液体门控系统、膜科学与技术、磁性材料、微纳结构的浸润性、微流控等领域的研究。

张俭

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

厦门大学侯旭课题组硕博连读生

主要从事动电能源转换,动态液体界面,纳米孔检测和仿生材料。

侯旭

厦门大学侯旭课题组综述:液基多孔膜,微纳孔道藏世界,液体门控通乾坤!

厦门大学双聘教授,博士生导师

全国创新争先奖状获得者

国家重点研发计划纳米专项项目负责人

首批闽江科学传播学者

侯旭是厦门大学依托国家海外高层次人才引进计划青年项目引进的国外杰出人才、厦门大学仿生多尺度孔道课题组组长(2016-至今)。从事微/纳尺度多孔膜科学与技术研究10余年,主要从事微/纳尺度多孔膜科学与技术研究。目前,出版了2本国际学术著作,以第一/通讯作者在国际重要期刊如Nature, Nat. Rev. Mater, Natl. Sci. Rev, Sci. Adv, Nat. Commun等上发表SCI论文35篇论文,总引量4300余次,H-Index为32。

侯旭在仿生液体门控膜系统方面开展了深入的研究,并取得了系统性原创研究成果。首次建立了仿生响应性液体门控系统,该系统突破传统固/液界面设计的限制,应用响应性的动态固/液/液界面设计制备液体复合多孔膜系统。通过智能多孔膜材料与功能液体的协同物理化学设计,制备的液体门控复合膜材料系统可应用于石油化工、航空航天、生物医学等应用领域。

侯旭曾获全国胶体与界面化学优秀成果一等奖和获全国卢嘉锡优秀研究生奖和中国科学院院长优秀奖,并入选中国科学院优秀博士学位论文。2014年,获美国哈佛大学博士后事业发展奖和入选美国化学会SciFinder化学领域未来领袖;2018年,获得中国化学会青年化学奖,第十三届福建省自然科学优秀学术论文一等奖。

此外,2019年,获得中国胶体与界面化学优秀青年学者奖,国际微系统与纳米工程峰会(MINE2019)优秀青年科学家;

代表中国遴选为国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)全球青年化学家元素周期表第100号元素代言人;

并入选中国青年化学家元素周期表第33号元素代言人;

入选美国化学会工业与工程化学研究(I&EC)全球有影响力的青年学者。

2020年,获得第二届全国创新争先奖。目前担任ChineseChemical Letters第三届青年编委会委员、《应用化学》第十届编委会青年编委、Cell旗下Cell Reports Physical Science杂志咨询委员会委员、中国旅美科协波士顿分会理事、中国化学会仿生材料化学委员会委员、国际仿生工程学会青年委员会委员、第二届全国材料与器件网理事会常务理事、首批闽江科学传播学者、固体表面化学国家重点实验室青委会会长等职务。

相关新闻

微信