侯旭教授团队在磁响应液体门控技术方面取得了突破性进展

厦门大学侯旭教授团队多年致力于“液体门控技术”的研究，该技术由侯旭等人首次提出。近几年，侯旭团队将其发展具体成形。2020年世界权威化学组织国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）将“液体门控技术”评为该年度全球“化学领域十大新兴技术”（还包括人工智能、聚集诱导发光、核糖核酸疫苗等，其中仅有两项由中国科学家提出并引领）。

近期，侯旭教授团队在磁响应液体门控技术方面取得了突破性进展，开发了一种磁性胶体门控系统，并展示了该系统在微流体控制、药物释放、化学反应控制等领域的应用。在该研究中，研究者还建立了一种实时表征限域空间中胶体聚集力学的新技术。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。  

  在微观尺度，限域胶体（受限在小空间内的胶体）可表现出复杂、有趣、独特的聚集行为：自组装形成漩涡、相干运动或相分离状态。研究表明，通过控制限域胶体的微观组装结构或群聚状态，可以实现微流体泵送、流体驱动或溶质传输。 然而，对限域胶体聚集行为的精确调控仍然充满挑战，原因在于：

胶体悬浮液体系非常复杂；

限域空间的尺寸与胶体粒径在同一量级，因此很难确定胶体之间的相互作用力，以及胶体悬浮液与限域几何维度的相互作用力；

目前对限域胶体力学行为的研究方法主要集中在显微观察和理论模拟，缺乏直观表征胶体相互作用力的技术手段。 

针对这一挑战，侯旭教授团队基于液体门控技术，将磁性胶体悬浮液限域在同一微观尺度的多孔材料中，构筑了一种全新的磁性胶体门控系统。该系统利用压力驱动的非互溶流体作为有效诱导，可以实时表征限域胶体的力学性能，在动态调控和精确调控微流体等方面均可应用。  多孔结构为胶体提供了有效的限域空间，通过毛细力将胶体悬浮液稳定在其中，形成了“多孔结构-胶体载液-胶体颗粒”之间的“固-液-固”界面体系。利用磁场，可以对限域胶体的聚集行为进行非接触调控，调节胶体聚集的有序度（熵），从而改变流体通过胶体门控所需的压强阈值。   研究者建立了该压强阈值与胶体熵之间的量化关系。其中，胶体熵及流体输运阈值与胶体浓度、限域空间尺寸、胶体悬浮液的饱和度、磁场强度、磁场方向密切相关。因此，对限域比与胶体浓度进行优化设计，就可以实现对胶体聚集结构的控制。在一定的胶体浓度下，压强阈值随着胶体悬浮液在多孔材料中饱和度的增大而增大，随着磁场强度的增加而增加。此外，随着磁场方向从平行、倾斜、到垂直于输运方向，输运流体的跨膜压强阈值逐渐增大。因此，在流体输运的过程中，调控磁场强度或方向即可动态调控流体的传输能力。 

磁性胶体门控在不同磁场强度和方向下的动态调控   磁性胶体门控具有良好的稳定性和优异的抗污性能。该研究为实时表征限域胶体的力学性能提供了全新的技术手段，为微流体控制、药物释放、化学反应控制等领域带来了新的机遇，也将促进胶体科学、膜科学和微流体力学的发展。    厦门大学博士后盛智芝（现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员）、张猛创（现为西北工业大学民航学院助理教授）、博士生刘静为论文共同一作，厦门大学侯旭教授为论文的通讯作者，该工作的合作者还包括马克斯普朗克智能系统研究所与斯图加特大学的Paolo Malgaretti教授，麦吉尔大学的李剑宇教授等。  

责任编辑：lq