作者:侯旭等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/4/2 16:11:23
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限域胶体的威力:侯旭团队开发磁性胶体门控

厦门大学侯旭教授团队多年来一直致力于“液体门控技术”的研究,该团队所引领的原创 “液体门控技术”被世界权威化学组织国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)被评为2020年全球“化学领域十大新兴技术”(还包括人工智能、聚集诱导发光、核糖核酸疫苗等,仅有两项由中国科学家提出并引领)。近期,侯旭教授团队在磁响应液体门控技术方面取得了突破性进展,开发了一种磁性胶体门控系统,研究了限域空间磁性胶体颗粒的聚集力学,阐述了“不自由”的胶体颗粒在受限空间通过磁场调控的组装结构的各种“自由度”。限域胶体的聚集行为与胶体浓度、限域尺度、胶体悬浮液饱和度、磁场强度和磁场方向密切相关,研究建立了一种实时表征限域空间胶体聚集力学的新技术,并展示了磁性胶体门控系统在微流体控制、药物释放、化学反应控制等领域的应用。

在微观尺度,胶体颗粒表现出复杂而有趣的聚集行为,尤其在材料结构组装、颗粒机器人群聚运动、微流体控制和生物体群聚效应中十分普遍。限域胶体的聚集行为与自由胶体具有明显的区别:受限胶体可以自组装形成漩涡、相干运动或相分离状态。研究表明,通过控制限域胶体的功能结构或群聚状态,可以实现微流体泵送、流体驱动或溶质传输。然而,由于胶体悬浮液的复杂性,如何精确调控限域胶体的聚集行为仍然充满挑战。此外,在微观尺度,由于限域空间大小与胶体粒径在同一量级,因此很难确定胶体之间的相互作用力以及胶体悬浮液与限域几何维度的相互作用力。目前,研究限域胶体力学行为的方法主要集中在显微观察和理论模拟,缺乏直观表征胶体相互作用力的技术手段。

针对这一挑战,侯旭教授团队基于液体门控技术,将磁性胶体悬浮液限域在同一微观尺度的多孔材料中,构筑了一种全新的磁性胶体门控系统,利用压力驱动的非互溶流体作为有效的诱导,可以实时表征限域胶体的力学性能,并阐述了这种胶体门控在动态调控和精确调控微流体的应用。

多孔结构为胶体提供了有效的限域空间,通过毛细力将胶体悬浮液稳定在其中,形成了一种“固-液-固”界面体系,即多孔结构与胶体载液的固液界面,以及胶体颗粒与载液的固液界面。通过磁场实现了限域胶体的聚集行为的非接触调控,并利用统计力学和热力学参数“熵”来表征胶体颗粒的聚集状态(有序度),建立了流体通过胶体门控的压强阈值与胶体熵的量化关系。其中,胶体熵及磁性胶体门控的流体输运阈值与胶体浓度、限域空间尺寸、胶体悬浮液的饱和度、磁场强度、磁场方向密切相关。胶体聚集结构的可控性建立在优化的限域比与胶体浓度的设计上。在一定的胶体浓度下,输运流体的压强阈值随着胶体悬浮液在多孔材料中的饱和度的增大而增大,随着磁场强度的增加而增加。此外,随着磁场方向从平行、倾斜、垂直于输运方向,输运流体的跨膜压强阈值逐渐增大。在流体输运的过程中,通过调控磁场强度或方向可动态调控流体的传输能力。磁性胶体门控具有良好的稳定性和优异的抗污性能。本研究为实时表征限域胶体的力学性能提供了全新的技术手段,为微流体控制、药物释放、化学反应控制等领域带来了新的机遇,也将促进胶体科学、膜科学和微流体力学的发展。

研究以“Reconfiguring confined magnetic colloids with tunable fluid transport behavior”为题在线发表在National Science Review上,厦门大学博士后盛智芝(现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员)、博士后张猛创(现为西北工业大学太仓校区助理教授)、博士生刘静为共同一作,厦门大学侯旭教授为论文的通讯作者,该工作的合作者还包括马克斯普朗克智能系统研究所与斯图加特大学的Paolo Malgaretti教授,麦吉尔大学的李剑宇教授。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa301

 
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