“一扇可以穿梭在任意星球的星際之門(mén)突然動(dòng)了起來(lái)，巨大的能量從星門(mén)中沖出，但很快又收了回去，形成一扇水波狀的門(mén)洞。”

這是1994年全球賣(mài)座的好萊塢科幻電影《星際之門(mén)》中的場(chǎng)景。

9月26日晚，“80后”廈門(mén)大學(xué)教授侯旭帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了他們最新的研究成果，首次運(yùn)用“液體門(mén)控技術(shù)”，提出不同微尺度的顆粒物在水界面上的高效過(guò)濾與吸收的核心機(jī)制。值得一提的是，侯旭也是剛剛發(fā)布的第四屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”前沿交叉方向的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

這一次，他們將這扇“水波狀的門(mén)”從科幻中帶到現(xiàn)實(shí)來(lái)，并為空氣凈化器的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。“臟的空氣進(jìn)入‘液體門(mén)’后，出來(lái)就干凈了。”

科學(xué)家“玩水”，能有多溜？

“液體門(mén)控”，就像是微觀世界里的開(kāi)關(guān)。

它是指微尺度孔道利用毛細(xì)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(kāi)啟，在多孔材料孔道內(nèi)壁形成有液體層的通路，并具有可逆調(diào)控性。

“空氣中的顆粒物，要么被‘門(mén)’物理隔絕，要么被‘門(mén)’直接吸收，出來(lái)的都是經(jīng)過(guò)‘篩選’后安全的空氣。”侯旭說(shuō)。

侯旭對(duì)“液體門(mén)”最初的靈感，正是因少時(shí)觀看《星際之門(mén)》而萌發(fā)的。

侯旭愛(ài)“玩”科研，2006年從四川大學(xué)創(chuàng)新人才班本科畢業(yè)后，一路“玩兒”到了國(guó)家納米科學(xué)中心、哈佛大學(xué)。在一次偶然的分離實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)氣體會(huì)在超過(guò)某一個(gè)臨界壓強(qiáng)值時(shí)從液體中穿過(guò)，而低于這個(gè)壓強(qiáng)時(shí)無(wú)法穿過(guò)。

“宏觀世界里的‘門(mén)’通常是固態(tài)的。因?yàn)橐后w受到了重力或離心力，無(wú)法穩(wěn)定成‘門(mén)’。那么，微觀世界呢？”這一刻，侯旭離暢想中的“液體門(mén)”更近一步。

他還自學(xué)了解到了生物肺泡中的一種結(jié)構(gòu)——庫(kù)氏孔。

肺泡是一種由液體填充的組織，而肺泡上的庫(kù)氏孔可以根據(jù)周?chē)鷫毫ψ兓M(jìn)行彈性收縮，形成一種可以開(kāi)關(guān)的孔道。當(dāng)壓力較小時(shí)，液體會(huì)充滿(mǎn)孔道并將其密封，當(dāng)壓力較大時(shí)，液體密封“門(mén)”則迅速打開(kāi)，在液“門(mén)”開(kāi)關(guān)之間，肺泡中的氣體便隨之被放行或阻擋在外。

受此啟發(fā)，在哈佛大學(xué)近4年時(shí)間，侯旭一股腦兒鉆進(jìn)“液體門(mén)”的微觀世界里。2015年，侯旭等首次提出了“液體門(mén)控機(jī)制”的概念，即讓一種液體穩(wěn)定在多孔膜中，多孔膜就像門(mén)框，而利用液體作為門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的可控輸運(yùn)與分離。

微觀世界里的“水簾洞”

2016年，侯旭放棄了哈佛-麻省理工醫(yī)療科技學(xué)院提供的職位，來(lái)到廈門(mén)大學(xué)組建起課題組團(tuán)隊(duì)、搭建實(shí)驗(yàn)室，將“液體門(mén)控”原理具體發(fā)展成形，并發(fā)明“液體門(mén)控”技術(shù)。

為什么一定要?jiǎng)?chuàng)造“液體門(mén)”？

“很多場(chǎng)景都急需一種極度密封、光滑平整、穩(wěn)定、靈敏的膜材料來(lái)做‘門(mén)’，比如生物醫(yī)用導(dǎo)管膜材料、智能農(nóng)業(yè)大棚膜，甚至包括重金屬污染物與毒品快速檢測(cè)技術(shù)。”侯旭說(shuō)。

在微觀世界里，固體膜材料很難避免缺陷，無(wú)法百分之百阻隔微小物質(zhì)的傳輸，如氣體分子。而“液體門(mén)控”非常完美地解決了這一難題：“流動(dòng)的‘液體門(mén)’封閉時(shí)，即使是氣體分子也無(wú)法通過(guò)；打開(kāi)時(shí)，‘門(mén)控液體’光滑的界面又可以使通過(guò)的物質(zhì)暢通無(wú)阻、毫無(wú)殘留。”

彼時(shí)，也有人覺(jué)得侯旭的這一想法“沒(méi)有意義”。

面對(duì)非議，侯旭沒(méi)有絲毫動(dòng)搖。

“門(mén)的一個(gè)重要作用，是為了實(shí)現(xiàn)分離。現(xiàn)有的物理化學(xué)手段，可使用膜分離技術(shù)，通過(guò)改變壓強(qiáng)等，實(shí)現(xiàn)氣體、液體的分離，以及液體、液體的分離。”侯旭說(shuō)，傳統(tǒng)的方法有許多麻煩：一是多數(shù)氣體分子的大小比膜的孔徑還小，這些氣體就容易“逃跑”，無(wú)法控制；二是分離多相物質(zhì)就要多次調(diào)整應(yīng)用壓力。

對(duì)此，侯旭團(tuán)隊(duì)反其道而行。“想創(chuàng)造出氣體的‘開(kāi)關(guān)’，像庫(kù)氏孔一樣，不調(diào)整壓力（在穩(wěn)定的環(huán)境下），就能讓氣體、液體實(shí)現(xiàn)分離。”

受“肺泡”啟迪，侯旭團(tuán)隊(duì)想到了有機(jī)高分子彈性體材料作為“液體門(mén)”的材料，在施加和釋放壓力的條件下，可動(dòng)態(tài)改變形狀。而為了抵消液體在宏觀狀態(tài)下不穩(wěn)定的劣勢(shì)，他們巧妙地選用與“門(mén)控液體”有相似化學(xué)組成的固體多孔膜材料來(lái)充當(dāng)“門(mén)框”。

如同微觀世界里的智能“水簾洞”，當(dāng)“妖怪”（空氣中的顆粒物）進(jìn)入“水簾洞”時(shí)，“大妖怪”（如，PM10的大顆粒）被直接擋在里面，試圖竄逃的“小妖怪”（如，PM2.5的小顆粒）則被“水簾洞”吸收了。

“整套系統(tǒng)集成了過(guò)濾和吸附兩種功能，通過(guò)對(duì)膜孔道的修飾和‘門(mén)控液體’的選擇，可實(shí)現(xiàn)門(mén)控體系對(duì)所傳輸物質(zhì)的物理化學(xué)響應(yīng)。”侯旭說(shuō)。

在微觀中書(shū)寫(xiě)宏觀命題

“響應(yīng)性液體門(mén)控技術(shù)”打通了現(xiàn)有空氣凈化中從過(guò)濾吸收、防污防腐、抗菌除臭到長(zhǎng)期運(yùn)行的技術(shù)難關(guān)。

近年來(lái)，世界多個(gè)地區(qū)連續(xù)受大范圍霧霾天氣影響，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)重度污染狀態(tài)。世界衛(wèi)生組織（WHO）2021年發(fā)布的報(bào)告顯示，空氣污染已經(jīng)成為“人類(lèi)健康的最大環(huán)境威脅”之一，全球每分鐘就有13人死于空氣污染。

中國(guó)奧維云網(wǎng)（AVC）數(shù)據(jù)顯示，2021年中國(guó)空氣凈化器零售規(guī)模65.9億元，零售量383萬(wàn)臺(tái)。目前常用的空氣凈化器技術(shù)主要有HEPA過(guò)濾技術(shù)、靜電集塵滅菌技術(shù)、活性炭吸附凈化技術(shù)、負(fù)離子凈化技術(shù)等。

“這些系統(tǒng)多由多層纖維膜或多孔材料組成的過(guò)濾膜單元構(gòu)成，隨著顆粒在其表面和內(nèi)部孔隙的堆積，這些過(guò)濾單元將不可避免地遭受堵塞問(wèn)題，限制了這類(lèi)過(guò)濾裝置的效率和使用壽命。”侯旭說(shuō)。

市場(chǎng)一直在期待一種凈化效率高、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)需復(fù)雜維護(hù)的凈化系統(tǒng)。

“液體門(mén)控技術(shù)”將傳統(tǒng)固體材料對(duì)污染物過(guò)濾所使用的有效表面積轉(zhuǎn)換成液體材料對(duì)污染物過(guò)濾吸收的有效體積，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物處理量的數(shù)量級(jí)提升，提高凈化效率和凈化器的塵容量。

“相較商用的濾網(wǎng)式過(guò)濾器，其塵容量（過(guò)濾器容納灰塵的能力）能達(dá)到商用的4.5倍。此外，不同于商用的濾網(wǎng)式過(guò)濾器，該方法生產(chǎn)的過(guò)濾器可通過(guò)流動(dòng)液體而長(zhǎng)期使用。”侯旭說(shuō)。

其實(shí)，早在兩年前，侯旭團(tuán)隊(duì)的“液體門(mén)控技術(shù)”，就被世界權(quán)威化學(xué)組織“國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC”評(píng)為“2020年全球化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”。

質(zhì)疑聲，也隨之消失，更多的目光，投向了“液體門(mén)”。

在這之后，侯旭團(tuán)隊(duì)收到了錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的合作邀請(qǐng)，共同破解在空間站上微重力下的流體管理系統(tǒng)所遇到的瓶頸問(wèn)題。今年，雙方合作發(fā)表了關(guān)于微重條件下的流體傳輸控制的研究論文。

“未來(lái)該技術(shù)將為工業(yè)、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域急需的防治大氣污染如粉塵細(xì)菌病毒、提升空氣質(zhì)量、改善人居環(huán)境等環(huán)保、健康、民生問(wèn)題提供技術(shù)保障，還可與人工智能、微流控技術(shù)等集成應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)智能空氣凈化，滿(mǎn)足未來(lái)不同環(huán)境下的空氣凈化需求。”侯旭說(shuō)。（來(lái)源：福建日?qǐng)?bào)  記者 林霞 李珂）