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

這是1994年全球賣座的好萊塢科幻電影《星際之門》中的場景。

9月26日晚，“80后”廈門大學教授侯旭帶領(lǐng)的團隊在國際學術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了他們最新的研究成果，首次運用“液體門控技術(shù)”，提出不同微尺度的顆粒物在水界面上的高效過濾與吸收的核心機制。值得一提的是，侯旭也是剛剛發(fā)布的第四屆“科學探索獎”前沿交叉方向的獲獎者。

這一次，他們將這扇“水波狀的門”從科幻中帶到現(xiàn)實來，并為空氣凈化器的設(shè)計提供了全新的思路。“臟的空氣進入‘液體門’后，出來就干凈了。”

科學家“玩水”，能有多溜？

“液體門控”，就像是微觀世界里的開關(guān)。

它是指微尺度孔道利用毛細力作用，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’物理隔絕，要么被‘門’直接吸收，出來的都是經(jīng)過‘篩選’后安全的空氣。”侯旭說。

侯旭對“液體門”最初的靈感，正是因少時觀看《星際之門》而萌發(fā)的。

侯旭愛“玩”科研，2006年從四川大學創(chuàng)新人才班本科畢業(yè)后，一路“玩兒”到了國家納米科學中心、哈佛大學。在一次偶然的分離實驗中，他發(fā)現(xiàn)氣體會在超過某一個臨界壓強值時從液體中穿過，而低于這個壓強時無法穿過。

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

他還自學了解到了生物肺泡中的一種結(jié)構(gòu)——庫氏孔。

肺泡是一種由液體填充的組織，而肺泡上的庫氏孔可以根據(jù)周圍壓力變化進行彈性收縮，形成一種可以開關(guān)的孔道。當壓力較小時，液體會充滿孔道并將其密封，當壓力較大時，液體密封“門”則迅速打開，在液“門”開關(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)，在哈佛大學近4年時間，侯旭一股腦兒鉆進“液體門”的微觀世界里。2015年，侯旭等首次提出了“液體門控機制”的概念，即讓一種液體穩(wěn)定在多孔膜中，多孔膜就像門框，而利用液體作為門來實現(xiàn)對物質(zhì)的可控輸運與分離。

微觀世界里的“水簾洞”

2016年，侯旭放棄了哈佛-麻省理工醫(yī)療科技學院提供的職位，來到廈門大學組建起課題組團隊、搭建實驗室，將“液體門控”原理具體發(fā)展成形，并發(fā)明“液體門控”技術(shù)。

為什么一定要創(chuàng)造“液體門”？

“很多場景都急需一種極度密封、光滑平整、穩(wěn)定、靈敏的膜材料來做‘門’，比如生物醫(yī)用導管膜材料、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技術(shù)。”侯旭說。

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

彼時，也有人覺得侯旭的這一想法“沒有意義”。

面對非議，侯旭沒有絲毫動搖。

“門的一個重要作用，是為了實現(xiàn)分離?，F(xiàn)有的物理化學手段，可使用膜分離技術(shù)，通過改變壓強等，實現(xiàn)氣體、液體的分離，以及液體、液體的分離。”侯旭說，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”，無法控制；二是分離多相物質(zhì)就要多次調(diào)整應用壓力。

對此，侯旭團隊反其道而行。“想創(chuàng)造出氣體的‘開關(guān)’，像庫氏孔一樣，不調(diào)整壓力（在穩(wěn)定的環(huán)境下），就能讓氣體、液體實現(xiàn)分離。”

受“肺泡”啟迪，侯旭團隊想到了有機高分子彈性體材料作為“液體門”的材料，在施加和釋放壓力的條件下，可動態(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，他們巧妙地選用與“門控液體”有相似化學組成的固體多孔膜材料來充當“門框”。

如同微觀世界里的智能“水簾洞”，當“妖怪”（空氣中的顆粒物）進入“水簾洞”時，“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)集成了過濾和吸附兩種功能，通過對膜孔道的修飾和‘門控液體’的選擇，可實現(xiàn)門控體系對所傳輸物質(zhì)的物理化學響應。”侯旭說。

在微觀中書寫宏觀命題

“響應性液體門控技術(shù)”打通了現(xiàn)有空氣凈化中從過濾吸收、防污防腐、抗菌除臭到長期運行的技術(shù)難關(guān)。

近年來，世界多個地區(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)布的報告顯示，空氣污染已經(jīng)成為“人類健康的最大環(huán)境威脅”之一，全球每分鐘就有13人死于空氣污染。

中國奧維云網(wǎng)（AVC）數(shù)據(jù)顯示，2021年中國空氣凈化器零售規(guī)模65.9億元，零售量383萬臺。目前常用的空氣凈化器技術(shù)主要有HEPA過濾技術(shù)、靜電集塵滅菌技術(shù)、活性炭吸附凈化技術(shù)、負離子凈化技術(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，這些過濾單元將不可避免地遭受堵塞問題，限制了這類過濾裝置的效率和使用壽命。”侯旭說。

市場一直在期待一種凈化效率高、使用壽命長、無需復雜維護的凈化系統(tǒng)。

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

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

其實，早在兩年前，侯旭團隊的“液體門控技術(shù)”，就被世界權(quán)威化學組織“國際純粹與應用化學聯(lián)合會IUPAC”評為“2020年全球化學領(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”。

在這之后，侯旭團隊收到了錢學森空間技術(shù)實驗室的合作邀請，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)等集成應用，有望實現(xiàn)智能空氣凈化，滿足未來不同環(huán)境下的空氣凈化需求。”侯旭說。（來源：福建日報  記者 林霞 李珂）