“液態(tài)門(mén)”不是科幻場(chǎng)景 或能走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

第二看臺(tái)

外星科技利用流動(dòng)液態(tài)的“星際之門(mén)”，扭曲了時(shí)間和空間的蟲(chóng)洞，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)在宇宙中瞬間傳送……這是在科幻電影《星際之門(mén)》中的場(chǎng)景。日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上的一項(xiàng)研究，可能讓“液態(tài)門(mén)”一步步走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

這項(xiàng)最新研究成果來(lái)自于廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院和物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院雙聘教授侯旭團(tuán)隊(duì)，該研究首次提出了響應(yīng)性“液態(tài)門(mén)”的調(diào)控機(jī)制，通過(guò)采用限域空間物理化學(xué)界面設(shè)計(jì)，建立了一種物質(zhì)檢測(cè)的新方法，就像鑄造的一把開(kāi)門(mén)鑰匙，能準(zhǔn)確迅速打開(kāi)特定的“液態(tài)門(mén)”。

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

在人們腦海中，“門(mén)”的概念一直是以固態(tài)的形式存在。而現(xiàn)實(shí)中，液體具有很強(qiáng)的流動(dòng)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(gè)區(qū)域是暫時(shí)形成的，邊界和大小會(huì)隨時(shí)改變，因受到重力、離心力等的作用，液體便會(huì)很快流動(dòng)，無(wú)法形成一個(gè)穩(wěn)定的門(mén)。

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

“液態(tài)門(mén)”，即液體在多孔薄膜中毛細(xì)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(mén)”會(huì)迅速開(kāi)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(guò)擠壓才能將水排出。

據(jù)了解，表面活性劑被譽(yù)為“工業(yè)味精”，由于其親水親油的特性，也稱(chēng)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(hù)膚品等。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入表面活性劑為門(mén)控液體，它將不同于其他液體，為“液態(tài)門(mén)”帶來(lái)極其靈敏開(kāi)關(guān)作用。

研究人員進(jìn)一步通過(guò)設(shè)計(jì)作為門(mén)控液體的表面活性劑，采用量子化學(xué)計(jì)算方法來(lái)得到表面活性劑雙親分子與待檢測(cè)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(xué)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單、直觀、無(wú)需耗費(fèi)電能的微量化學(xué)檢測(cè)，就像鑄造一把開(kāi)門(mén)的鑰匙，能夠準(zhǔn)確迅速地打開(kāi)特定的“液態(tài)門(mén)”。

無(wú)電可視化檢測(cè)微量物質(zhì)

近年來(lái)，微量物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)一般采用光學(xué)、電學(xué)等信號(hào)的檢測(cè)方法，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行輸出讀取。由于該機(jī)理復(fù)雜，往往不是直觀獲得的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)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(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行操作，這些綜合因素都會(huì)增加檢測(cè)成本。

而新的“液態(tài)門(mén)”體系，能夠?qū)⒐δ荛T(mén)控液體中雙親分子與待檢測(cè)物質(zhì)特異性相互作用導(dǎo)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(cè)時(shí)，該體系可動(dòng)態(tài)調(diào)控通過(guò)薄膜的氣體，擁有壓力驅(qū)動(dòng)標(biāo)記物移動(dòng)特性。這種直觀的微量物質(zhì)檢測(cè)新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)待檢測(cè)物成分、濃度變化信息的無(wú)電可視化檢測(cè)。

研究人員以二價(jià)金屬鈣離子為例，探討了檢測(cè)的靈敏度，設(shè)計(jì)了無(wú)電可視化化學(xué)檢測(cè)裝置。在該裝置中，一端是有特定壓強(qiáng)的腔室系統(tǒng)，另一端是有標(biāo)記液滴的管路，并與響應(yīng)性的“液態(tài)門(mén)”薄膜組合，當(dāng)向“液態(tài)門(mén)”系統(tǒng)中注射待檢測(cè)鈣離子，能夠非常直觀地看到標(biāo)記液滴在管路里的移動(dòng)。

標(biāo)記液滴為什么能夠移動(dòng)?是什么原理?原來(lái)，在該檢測(cè)體系中，雙親分子在檢測(cè)物的偶極誘導(dǎo)作用下會(huì)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(jìn)一步引起液體門(mén)控系統(tǒng)臨界壓強(qiáng)閾值降低，釋放高壓氣體，推動(dòng)標(biāo)記液滴在管路里移動(dòng)。

侯旭介紹，在實(shí)際的化學(xué)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)信號(hào)將通過(guò)儀器中標(biāo)記液滴的移動(dòng)速度、狀態(tài)等來(lái)直觀呈現(xiàn)，從而得到檢測(cè)物的成分、濃度等信息，且全程無(wú)需耗費(fèi)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(shí)也可以通過(guò)雙親分子的化學(xué)設(shè)計(jì)提高檢測(cè)靈敏度。”他說(shuō)。

侯旭告訴記者，響應(yīng)性“液態(tài)門(mén)”技術(shù)的提出，突破了傳統(tǒng)微量物質(zhì)化學(xué)檢測(cè)機(jī)制與應(yīng)用的限制，其操作簡(jiǎn)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(cè)應(yīng)用中，同時(shí)也在食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。(謝開(kāi)飛)

關(guān)鍵詞： 液態(tài)門(mén) 科幻場(chǎng)景