廈門大學侯旭課題組綜述：液基多孔膜，微納孔道藏世界，液體門控通乾坤

侯旭課題組全家福，一家人最重要的就是整整齊齊

膜科學技術正迅速發展，並在許多領域發揮著越來越重要的作用，包括化學分析、食品生產、氣體分離、廢水處理、能源收集、醫療診斷與治療等。在眾多需求的驅使下，科學家們針對固體多孔膜的結構，化學組成，表面化學設計，來實現膜材料的特定功能。儘管它們在上述領域中具有重要意義，但選擇性和滲透性之間的平衡，汙染問題，以及缺乏對不同環境的適應性是傳統固體膜材料發展的卡脖子問題。液基多孔膜由於其在擴散性，動態性，抗汙性，全憎性，自癒合與自適應等方面具有顯著的優勢而逐漸凸顯。鑑於此，本文探討了液基多孔膜的設計與應用研究思路，整理了該方向的發展歷史，總結了其跨膜傳輸機制、液基複合膜材料的物理化學性能與優勢，並進一步系統討論了其在膜技術領域例如分離，萃取，智能門控系統和化學檢測等最新應用進展。

1.1 前沿：液基多孔膜的定義

液基多孔膜由功能液體與多孔基底組成，液體由於毛細力作用被穩定在多孔薄膜中，兩者相輔相成，共同創造動態且穩定、活躍的界面功能，通過化學驅動、物理驅動和物理化學驅動的傳輸機制，從而實現分離、發電、化學檢測、萃取等實際應用。

跨膜傳輸機制和液基多孔膜的經典應用：液基多孔膜由功能液體與多孔基底組成。其主要的跨膜傳輸機制為化學驅動輸運、物理驅動輸運、物理化學驅動輸運。經典應用例如氣體分離，手性分離，多相分離，發電，視覺化學檢測和電膜萃取。

1.2 前言：液基多孔膜的發展歷程

液基多孔膜的概念由來已久，早在1976年，支撐液膜（Supported Liquid Membrane）的概念被首次提出，並應用於金屬離子分離；2011年，美國哈佛大學Joanna Aizenberg教授提出滑移表面（Slippery Liquid-infused PorousSurface(s)，SLIPS），其具有獨特的抗汙防冰性能、光學透明性與增強的壓力穩定性，促進了液基材料的選擇和潛在應用的發展；2015年，液體門控膜（LiquidGating Membrane，液門）的概念被提出，液體由於毛細力作用而穩定地填充在多孔膜孔道中，形成閉合狀態的液門。在一定壓力下，液門可以迅速打開，形成孔道內壁有液體層的通路（liquid-lined pore），壓力釋放時液門閉合，從而實現液門可逆開關功能。

液體基多孔膜的發展歷程，包括功能液體和多孔膜的發展

2. 設計策略

本文主要綜述了液基多孔膜中的液膜和液門

· 液膜關注的是液相中傳質過程和物理化學反應。

· 液門注重非混相流體在膜間的傳輸行為。

2.1 設計策略：液膜

· 常見的液膜是料液相和接收相之間的選擇性屏障薄膜，其中用於液膜的材料應與料液相與接收相均不混溶。

· 固體多孔膜和注入的功能液體之間的構效關係在界面設計中尤為重要，圖中的理論模型可用來預測潤溼行為、膜傳輸和液體中的擴散。

液膜設計策略：設計參數主要集中在固體多孔膜的結構和功能、注入液體的性質和功能上。理論模型可用於預測液體的潤溼行為，膜傳輸和擴散

2.2 設計策略：液門

· 液體門控膜關注的是相態的傳輸。

· 液體門控膜利用毛細力穩定的液體作為壓力驅動、可逆、可重構的液門，其可以在關閉狀態下填充和密封微尺度孔隙，並在打開狀態下形成液襯孔（liquid-lined pore）。

液門的設計策略：液門的界面設計集中於多孔膜和門控液體之間的固/液界面的設計，以及門控液體和輸送流體之間的液/氣或液/液界面的設計。

3. 跨膜傳輸機制

基於驅動力的類型，液基多孔膜的跨膜傳輸機制分為：

· 化學驅動機制；

· 物理驅動機制；

· 物理化學驅動機制。

3.1 跨膜傳輸機制：化學驅動

化學驅動跨膜輸運機理及相應實例。

液膜主要是通過化學驅動的機制來實現各項功能，簡單傳質包括有化學反應和無化學反應，促進傳輸，耦合逆向傳輸，耦合協同傳輸，主動傳輸。

3.2 跨膜傳輸機制：物理驅動

物理驅動的跨膜傳輸機制：A. 壓力驅動機制，B. 基於多孔膜的響應性外部驅動機制，C. 基於門控液體的響應性外部驅動機制。

液門主要是通過物理驅動的機制來實現各項功能：

· 向固體多孔膜注入強潤溼的功能液體，使膜的孔隙完全密封；

· 在壓力梯度的驅動下，輸運流體可以使液體浸潤的表面變形並進入膜的孔隙，跨膜臨界壓力由多孔膜與門控液之間的相互作用力決定的；

· 當施加的壓力被釋放時，功能液體將被重新配置，並在熱力學上再次填充多孔膜孔隙。

應力場，磁場，熱場，光學場、聲場等外場可以進一步擴展液體門控膜的刺激響應性。

3.3 跨膜傳輸機制：物理化學驅動

通過物理化學驅動傳輸機制的策略，可以將液膜和液門的特點相結合，針對不同的應用來開發不同的液基多孔膜。

· 電場可提升萃取效率的液膜體系中，電動遷移代替被動擴散，因而成為主要的驅動力。

· 基於液門系統的可視化化學檢測方法中，化學勢梯度和壓力梯度作為驅動力。液門體系能夠將功能門控液體中雙親分子與待檢測物質特異性相互作用導致的界面張力信息，轉化為氣體跨膜臨界壓力閾值變化信息。在檢測時，該體系可動態調控通過薄膜的氣體，擁有壓力驅動標記物移動特性。

4. 性質與優勢

液基多孔膜的性能及優點：滲透性、選擇性、穩定性、抗汙性、自癒合性、節能性、可適應性

液體基多孔膜的穩定性和抗汙性：A. 液體基多孔膜的能量準則和長時間穩定性；B. 穩定的微尺度流動的液體基多孔系統；C. 抗懸浮液汙染的測試；D. 抗有機分子和生物流體的測試。

液體基多孔膜的透明性和自癒合性：A. 與只有氣袋的微通道相比，動態液體袋的微通道內血流清晰可見；B. 液基多孔膜在受到物理損傷後可恢復其抗汙功能，使液滴在自癒合表面上滑動。

液體基多孔膜的節能性和適應性：A. 與固體多孔膜相比，液基多孔膜的跨膜臨界壓力顯著降低；B. 隨著分離運行時間的增加，節能效果顯著提升；C. 液體注入的GO/TPU彈性多孔膜在機械應力響應下可調控氣體/液體傳輸；D. 通過控制溫度來調控液體的滲透。

5. 新興應用

液體材料可以提供獨特的特性：

· 分子級光滑性

· 動態行為

· 自適應性

因而產生眾多的新興應用：

不同的門控應用：A.氣體和液體在液門中可逆跨膜輸運行為的調控；B. 恆壓氣液分離；C. 通過調節傳輸液體的極性來調控多相分離；D. 引導微尺度流動的雙液體門控機制。

可擦寫，藥物釋放，液滴操作和可移動閥門的應用：A. 通過調節溫度進行可擦除的書寫；B. 藥物釋放；C. 液滴操控；D. 移動閥門。

基於液體門控的無電可視化的化學檢測：A. 基於偶極誘導液體門控的檢測原理圖；B. Ca²⁺加入時，液體門控檢測系統的關閉和打開狀態的圖示，圖中顯示了紅色標記的移動；C. 不同陽離子的壓力擾動指數。

6. 總結與展望

總結：

本文綜述了液體基多孔膜的設計策略、跨膜傳輸機制、性能與優勢，並展示了液體基多孔膜的最新應用。

展望：

· 複雜的跨膜傳輸機制尚不明確。

· 液基多孔膜的穩定性一直是本領域的研究重點。

· 門控打開時，動態監測限域空間中功能液體的液層厚度將十分重要。

· 構建化學修飾且具有形貌結構的固體多孔膜，使體系能夠精確地、靈敏地適應各種刺激；反應靈敏的液體已經成為人們關注的焦點，可改善固/液粘附性和穩定性 。

· 為了滿足工業生產，例如化學分離、水處理、食品製造、催化劑、能源儲存轉換等，液基多孔膜的擴大生產勢在必行。

該工作在廈門大學化學化工學院侯旭教授的指導下完成，廈門大學侯旭課題組博士後盛智芝與2018級碩博連讀生張儉為論文的共同第一作者。

侯旭課題組介紹

盛智芝

中國科學院蘇州納米所，副研究員（2020-至今）

廈門大學侯旭課題組博士後（2016-2020）

主要從事智能孔道材料、響應性液體門控系統、膜科學與技術、磁性材料、微納結構的浸潤性、微流控等領域的研究。

張儉

廈門大學侯旭課題組碩博連讀生

主要從事動電能源轉換，動態液體界面，納米孔檢測和仿生材料。

侯旭

廈門大學雙聘教授，博士生導師

全國創新爭先獎狀獲得者

國家重點研發計劃納米專項項目負責人

首批閩江科學傳播學者

侯旭是廈門大學依託國家海外高層次人才引進計劃青年項目引進的國外傑出人才、廈門大學仿生多尺度孔道課題組組長（2016-至今）。從事微/納尺度多孔膜科學與技術研究10餘年，主要從事微/納尺度多孔膜科學與技術研究。目前，出版了2本國際學術著作，以第一/通訊作者在國際重要期刊如Nature, Nat. Rev. Mater, Natl. Sci. Rev, Sci. Adv, Nat. Commun等上發表SCI論文35篇論文，總引量4300餘次，H-Index為32。

侯旭在仿生液體門控膜系統方面開展了深入的研究，並取得了系統性原創研究成果。首次建立了仿生響應性液體門控系統，該系統突破傳統固/液界面設計的限制，應用響應性的動態固/液/液界面設計製備液體複合多孔膜系統。通過智能多孔膜材料與功能液體的協同物理化學設計，製備的液體門控複合膜材料系統可應用於石油化工、航空航天、生物醫學等應用領域。

侯旭曾獲全國膠體與界面化學優秀成果一等獎和獲全國盧嘉錫優秀研究生獎和中國科學院院長優秀獎，併入選中國科學院優秀博士學位論文。2014年，獲美國哈佛大學博士後事業發展獎和入選美國化學會SciFinder化學領域未來領袖；2018年，獲得中國化學會青年化學獎，第十三屆福建省自然科學優秀學術論文一等獎。

此外，2019年，獲得中國膠體與界面化學優秀青年學者獎，國際微系統與納米工程峰會（MINE2019）優秀青年科學家；代表中國遴選為國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）全球青年化學家元素周期表第100號元素代言人；併入選中國青年化學家元素周期表第33號元素代言人；入選美國化學會工業與工程化學研究（I&EC）全球有影響力的青年學者。2020年，獲得第二屆全國創新爭先獎。目前擔任ChineseChemical Letters第三屆青年編委會委員、《應用化學》第十屆編委會青年編委、Cell旗下Cell Reports Physical Science雜誌諮詢委員會委員、中國旅美科協波士頓分會理事、中國化學會仿生材料化學委員會委員、國際仿生工程學會青年委員會委員、第二屆全國材料與器件網理事會常務理事、首批閩江科學傳播學者、固體表面化學國家重點實驗室青委會會長等職務。團隊現成員：教授1人，博士後7人，研究生20人，科研助理2人，常年招收優秀研究助理、研究生和博士後，聯繫方式：https://xuhougroup.xmu.edu.cn/

來源：高分子科學前沿

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