厦大侯旭团队《Adv. Mater.》：基于液体门控技术开发能够自驱动调控气/液释放的磁弹性膜系统

液体门控膜作为一种合理设计的液基自适应材料，因其可重构和可逆的液门开关特性，相比于传统膜，具有良好的抗污染和节能的优势，在生物医学、能源材料、化学检测、航空航天等领域具有广泛的应用前景。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”之一。为了进一步提高液体门控膜多样化的功能并带来广泛的应用，响应于外部刺激的智能液体门控膜的开发受到越来越多的关注，目前，各种依赖环境压力驱动的智能液体门控系统已经取得了许多进展，然而，实现自驱动的液体门控系统仍然存在挑战。

厦门大学侯旭教授团队基于液体门控技术开发了一种新型液体门控磁弹性多孔膜（Liquid gating magnetoelastic porous membrane，LGMPM）系统，在外加磁场作用下发生弯月形的形变，将磁力转化为机械力直接作用于输运流体，使该磁响应系统在外部磁场刺激下，对气体和液体实现自驱动释放的调控，无需额外的环境压力驱动设备。研究团队从理论和实验上讨论了磁弹性膜的弹性形变、系统界面设计和抗污行为以及气液输运的稳定性，并展示了该系统在可视化气/液混合物含量监测、远程药物控释、节能多相分离等方面的应用，同时为实现气体和液体释放的主动调控提供了一种普适、简便的方法。该研究以题为 “Liquid Gating Meniscus-Shaped Deformable Magnetoelastic Membranes with Self-Driven Regulation of Gas/Liquid Release”的论文发表在《Advanced Materials》。

【LGMPM的制备及自驱动气/液释放】

磁弹性膜（Magnetoelastic membrane，MM）由磁流变液（Magnetorheological fluid，MRF）和聚合物弹性体基质组成，MRF对外部磁场的响应行为导致了MM的弯月形空间形变。磁弹性多孔膜（Magnetoelastic porous membrane，MPM）浸入门控液体后，形成LGMPM。气体自由进出MPM的孔道而不受控制，但可以被LGMPM通过磁场刺激主动调控气体释放。此外，在相同的磁场条件下，与MPM相比，液体通过LGMPM释放所需的临界跨膜压力更低。研究团队首先对MM的磁性能、机械性能和形变行为进行研究，并通过理论计算和实验验证构筑了稳定的LGMPM系统。

图1 LGMPM的制备及自驱动气/液释放示意图

图2 MM的磁性能、应力-应变行为、磁响应形变性、浸润性和LGMPM系统的稳定性

【LGMPM系统的流体传输行为】

随后，通过跨膜临界压强的检测，作者分析了LGMPM系统的流体传输行为。对于MPM，无论是否施加外部磁场，气体的跨膜临界压强均为零，因此无法对气体输运进行控制。然而，对于LGMPM，气体的跨膜临界压强在无磁场时为730±8 Pa，施加220 mT磁场时，临界压强降为614±15 Pa，因此，可以通过磁场的响应可控地释放气体。由于磁场作用下MPM的弹性形变使孔径增大，相应输运状态下，磁场打开时的临界压强均低于磁场关闭。研究发现，在磁场作用下的气/液分离过程比无磁场情况下节能率为23%。

图3 LGMPM系统的门控行为、循环稳定性、气/液分离和防污行为

【LGMPM系统的应用展示】

作为实际应用，作者展示了利用LGMPM进行远程气/液释放调控和气/液混合物含量的监测。图4a展示了利用LGMPM在恒压下通过施加磁场带来的膜形变对气体释放的调控（采用显色反应为了便于观察），磁场调控CO 2释放使含有Ca(OH) 2 (pH =10.4)的酚酞水溶液由红色变为无色。通过将磁力转化为机械力，图4b展示了LGMPM自驱动控制液体药物释放，并且调节不同磁场强度可以对释放量进行有效控制。同时，利用远程的空间形变响应，LGMPM系统也为气／液混合含量的可视化监测提供了一种新的方法（图4c和4d），尤其在石油、化工、天然气的开采、储存和深加工等方面的应用具有广阔的前景。

图4 液体门控磁弹性膜系统气/液释放调控及气/液混合物含量监测的应用展示

通讯作者简介：侯旭教授，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、闽江科学传播学者（首批）等。从事仿生液体门控技术与仿生纳流离子学等研究十余年，出版了两本国际学术著作，并在高水平学术期刊如Nature, Science, Nature Reviews Materials, 国家科学评论, 基础研究，Nature Communications，Science Advances，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials，等上发表论文80余篇。曾获2020年第二届“全国创新争先奖”、2020年国际水协会-首创“水星奖”科学创新类-金奖、2019年中国胶体与界面化学优秀青年学者奖、2018年中国化学会青年化学奖等，入选了2019年IUPAC全球青年化学家元素周期表元素代言人等，并受邀参加了央视CCTV《人物-故事》及《百家讲坛》栏目。现任《Chinese Chemical Letters》副主编、《Advanced Fiber Materials》、《应用化学》和《物理化学学报》青年编委、Cell 旗下《Cell Reports Physical Science》顾问委员会委员、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等。

课题组目前开展的研究工作包括：胶体与界面化学，仿生/智能多尺度孔道系统，膜科学与技术，微流体，纳流离子学，界面科学，物理化学，电化学和用于节能和生物医学应用的微纳制造。

团队常年招收优秀教师、本科生、研究生和博士后。

联系方式：

houxugroup@163.com

课题组主页：

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论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107327

来源：高分子科学前沿

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