“液態(tài)門”不是科幻場景 或能走向現(xiàn)實應(yīng)用

第二看臺

外星科技利用流動液態(tài)的“星際之門”，扭曲了時間和空間的蟲洞，實現(xiàn)物質(zhì)在宇宙中瞬間傳送……這是在科幻電影《星際之門》中的場景。日前發(fā)表在國際學術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學》上的一項研究，可能讓“液態(tài)門”一步步走向現(xiàn)實應(yīng)用。

這項最新研究成果來自于廈門大學化學化工學院和物理科學與技術(shù)學院雙聘教授侯旭團隊，該研究首次提出了響應(yīng)性“液態(tài)門”的調(diào)控機制，通過采用限域空間物理化學界面設(shè)計，建立了一種物質(zhì)檢測的新方法，就像鑄造的一把開門鑰匙，能準確迅速打開特定的“液態(tài)門”。

首次構(gòu)建響應(yīng)性“液態(tài)門”調(diào)控機制

在人們腦海中，“門”的概念一直是以固態(tài)的形式存在。而現(xiàn)實中，液體具有很強的流動性，其分子之間的相互作用比固體中的分子弱。液體分子只在很小的區(qū)域內(nèi)作有規(guī)則的排列，這個區(qū)域是暫時形成的，邊界和大小會隨時改變，因受到重力、離心力等的作用，液體便會很快流動，無法形成一個穩(wěn)定的門。

受到液態(tài)“星際之門”的啟發(fā)，侯旭教授對“門”的形態(tài)，有了更為廣義的理解，并首次提出了“液態(tài)門”的門控概念。

“液態(tài)門”，即液體在多孔薄膜中毛細力作用下，穩(wěn)定填充在薄膜孔道內(nèi)部，形成的一種閉合狀態(tài)。如果“施加”一定壓力，“液態(tài)門”會迅速開啟，形成孔道內(nèi)壁有液體層的通路，就像吸了水的海綿，需要通過擠壓才能將水排出。

據(jù)了解，表面活性劑被譽為“工業(yè)味精”，由于其親水親油的特性，也稱雙親分子。其能使液體的界面性質(zhì)發(fā)生明顯變化，廣泛應(yīng)用于制作肥皂、洗發(fā)液、護膚品等。該團隊研究發(fā)現(xiàn)，當引入表面活性劑為門控液體，它將不同于其他液體，為“液態(tài)門”帶來極其靈敏開關(guān)作用。

研究人員進一步通過設(shè)計作為門控液體的表面活性劑，采用量子化學計算方法來得到表面活性劑雙親分子與待檢測物質(zhì)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和雙親分子的偶極矩，從而跳出了傳統(tǒng)的化學檢測方法，實現(xiàn)了簡單、直觀、無需耗費電能的微量化學檢測，就像鑄造一把開門的鑰匙，能夠準確迅速地打開特定的“液態(tài)門”。

無電可視化檢測微量物質(zhì)

近年來，微量物質(zhì)檢測技術(shù)一般采用光學、電學等信號的檢測方法，通過專門的儀器設(shè)備對檢測信號進行輸出讀取。由于該機理復雜，往往不是直觀獲得的檢測結(jié)果，對光源、電源等的需求條件限制了其設(shè)備的大小;另外，一般需要專業(yè)人士進行操作，這些綜合因素都會增加檢測成本。

而新的“液態(tài)門”體系，能夠?qū)⒐δ荛T控液體中雙親分子與待檢測物質(zhì)特異性相互作用導致的界面張力信息，轉(zhuǎn)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(tài)調(diào)控通過薄膜的氣體，擁有壓力驅(qū)動標記物移動特性。這種直觀的微量物質(zhì)檢測新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)待檢測物成分、濃度變化信息的無電可視化檢測。

研究人員以二價金屬鈣離子為例，探討了檢測的靈敏度，設(shè)計了無電可視化化學檢測裝置。在該裝置中，一端是有特定壓強的腔室系統(tǒng)，另一端是有標記液滴的管路，并與響應(yīng)性的“液態(tài)門”薄膜組合，當向“液態(tài)門”系統(tǒng)中注射待檢測鈣離子，能夠非常直觀地看到標記液滴在管路里的移動。

標記液滴為什么能夠移動?是什么原理?原來，在該檢測體系中，雙親分子在檢測物的偶極誘導作用下會發(fā)生界面性質(zhì)改變，宏觀上表現(xiàn)為表面張力的降低，進一步引起液體門控系統(tǒng)臨界壓強閾值降低，釋放高壓氣體，推動標記液滴在管路里移動。

侯旭介紹，在實際的化學檢測過程中，檢測信號將通過儀器中標記液滴的移動速度、狀態(tài)等來直觀呈現(xiàn)，從而得到檢測物的成分、濃度等信息，且全程無需耗費電能。“該體系的靈敏度與所用膜材料的性質(zhì)與孔徑及雙親分子的結(jié)構(gòu)與濃度有關(guān)，一般情況下，孔徑越小，靈敏度越高，同時也可以通過雙親分子的化學設(shè)計提高檢測靈敏度。”他說。

侯旭告訴記者，響應(yīng)性“液態(tài)門”技術(shù)的提出，突破了傳統(tǒng)微量物質(zhì)化學檢測機制與應(yīng)用的限制，其操作簡單且可微型化使用，不僅可以應(yīng)用在重金屬污染物等快速便攜式微量檢測應(yīng)用中，同時也在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。(謝開飛)

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