撰稿 | 陳柏屹（廈門大學，博士后）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

傳統膜材料已有了相當長的發展歷史，為實現應用提供了豐富的材料選擇。在此基礎上，如果能實現傳統膜材料功能和性能的全面提升，將極大地擴展現在膜材料的應用范圍。向自然學習是新材料和新體系發展的永恒主題。

不同于傳統固體多孔膜、液膜的概念，液體門控技術是指微尺度孔道利用毛細力作用，將液體穩定地填充在孔道內部，在一定壓力下迅速開啟，在膜材料孔道內壁形成有液體層的通路，并具有可逆調控性。其液體層可為液體門控膜材料提供動態分子級平整的界面，因此具有優異的抗污與節能性質，有助于解決與膜科學相關領域的重大科學與應用問題。

然而，液體門控技術的發展仍處于早期階段，其發展仍舊面臨較大挑戰，比如單一的壓力驅動難以應對復雜的流體控制場景。

因此在壓力驅動的基礎上，探索多元化的外場控制，如光場、電場、磁場、熱場等，進一步擴大液體門控的應用場景就顯得尤為重要。對于多元化的外場控制，光控具有靈活的非接觸式控制和高時空分辨率的固有優勢，主要包括光物理和光化學機制，二者具有各自的優勢和相對的應用場景。

對于氣體閥門來說，以一種安全且穩定的方式精準無接觸地控制氣體流動是至關重要的，因為它需要保證各類氣體參與過程的可行性和穩定性，如天然氣開采，發酵，多相分離，軟體機器人及諸多其他領域。

但是氣體閥門的改進依舊面臨很大的挑戰，特別是對于氣體在指定位置的穩定輸送，這通常依賴基于外部能量輸入的復雜自動化控制系統。此外，許多氣體傳輸系統都需要穩定無干擾的單場刺激來實現安全精確的流體控制。

因此，響應于局部單一物理刺激的光化學反應，在穩定精確的非接觸氣流控制方面顯示出了極大的優勢。

鑒于此，廈門大學化學化工學院與物理科學與技術學院雙聘教授侯旭所帶領的研發團隊發展了一種全新的非熱效應紫外光響應液體門控技術，實現了具有抗腐蝕性能的精準光控氣體閥門(light-responsive and corrosion-resistant gas valve, LCGV)應用，有望應用于多領域微流控體系中非接觸式、精確的氣體反應控制(圖1)。

圖1 光響應耐腐蝕氣體閥門（LCGV）的工作原理

該研究成果以 Light-responsive and corrosion-resistant gas valve with non-thermal effective liquid-gating positional flow control 為題發表在 Light: Science & Applications。

為了實現合理精確的光響應固-液界面設計，本文利用偶氮苯基分子光開關的光異構化來調節金屬多孔膜與門控液體之間的固-液相互作用，構筑基于光響應液體門控技術的抗腐蝕精準光控氣體閥門(LCGV)，在紫外光作用下，LCGV閥門可以在無熱干擾的情況下調節傳輸氣體所的過膜臨界壓強，對其進行可逆的開關控制。

在液體門控體系中，臨界壓力閾值，即氣體克服固體膜孔道對門控液體毛細作用所需要的力。如圖2所示，氣體必須使門控液體界面變形才能進入固體膜孔道。由于沒有紫外照射時多孔膜表面修飾的反式分子光開關與非極性門控液體的固-液相互作用較強，氣體過膜臨界壓強較高，在恒定壓力ΔP下氣體無法排開門控液體通過多孔膜。而在紫外光作用下，分子光開關由反式轉變為順式，固-液相互作用減弱，在ΔP驅動下，氣體通過多孔膜并形成具有液體內襯的通道。此外，由于毛細作用能夠使液體重構填充孔道而非將其排出，因此膜孔道會隨著光異構的轉變重新閉合，進而實現氣體輸運的動態可逆調節。

圖2 光調控氣體輸運示意圖

圖3 LCGV體系的抗腐蝕性能

在腐蝕實驗中，使腐蝕性氣體分別通過沒有門控液的不銹鋼網(SSM)和LCGV一段時間。與SSM的快速劇烈腐蝕相比，LCGV體系由于門控液具有化學惰性，防止腐蝕氣體與金屬膜接觸，即使在強制通過腐蝕氣體1小時后，LCGV仍具有良好的化學耐腐蝕性。

在光控氣體輸運應用中，LCGV實現了恒壓作用下位置精準的氣體觸發顯色反應(圖4)。一般來說，大多數涉及氣體參與的化學反應都伴隨著體系壓強的變化。但不穩定的壓強條件會影響反應的穩定性、產率甚至安全性。LCGV可在恒壓條件下靈活精確地控制氣體傳輸，保證了氣體反應的穩定、安全、有效。

圖4 LCGV的精準光控氣體傳輸應用演示

本文基于材料界面物理化學設計，開發了一種全新的非熱效應紫外光響應液體門控技術，實現了具有抗腐蝕性能的精準光控氣體閥門(LCGV)應用。

由于門控液體的保護，該氣體閥門具有優異的抗腐蝕性能。此外，結合紫外光非接觸調控以及高時空分辨率的固有優勢，該氣體閥門實現了穩態壓力下無熱干擾的精準光控氣體傳輸，表明了這種新型氣閥在諸多領域中的應用潛力，例如微流控體系中的氣體反應控制，軟體機器人等等。

論文信息：

Chen, B., Zhang, R., Hou, Y. et al. Light-responsive and corrosion-resistant gas valve with non-thermal effective liquid-gating positional flow control. Light Sci Appl 10, 127 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00568-9

本文第一作者為廈門大學化學化工學院博士后陳柏屹，化學化工學院碩士生張榮榮為共同第一作者，通訊作者為廈門大學化學化工學院及物理科學與技術學院雙聘教授侯旭。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00568-9

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編輯 | 趙陽

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