众所周知，材料的性能取决于其物质组成和结构。然而，近日香港理工大学王立秋教授课题组、西安交通大学黄占东特聘研究员课题组和电子科技大学（深圳）高等研究院杨军教授课题组携手提出了一种独特的超超材料（Beyond Metamaterial），打破了人们对材料的传统认知。这种超超材料由连接的三维多面体框架（CPFs）组成，其中每一个框架均可灵活地实现可逆切换的液体释放或捕获，该功能独立于框架的材料组成、结构，以及所处理的液体，而仅取决于框架之间的液体连续性。CPFs的这种特性，突破了现有液体操纵技术的许多瓶颈，实现了包括可编程的三维液体结构化、多元流体三维图案化，多种物质浓度的三维时空控制、三维液体阵列封装，以及大规模多元流体的可编程操控等前所未有的液体操纵功能。
该研究成果“Connected three-dimensional polyhedral frames for programmable liquid processing”发表在2024年7月12日的Nature Chemical Engineering期刊上。论文第一作者是张艺媛博士，通讯作者是黄占东特聘研究员、杨军教授和王立秋教授。
人类文明在很大程度上依赖于精确处理液体的能力。液体捕获和释放之间的切换在处理各种液体方面起着决定性的作用，许多应用要求对液体进行可逆、空间和时间精确、体积精确和可编程的控制，而不受所用固体工具和处理液体细节的影响。然而，目前的流体操控技术并不能完全满足这些要求。为此，作者提出了连接的多面体框架，通过调控框架之间的液体连续性来决定单个框架的液体捕获或释放，从而有效地应对这一挑战，整个框架网络可以很容易地实现定点、动态和可逆地功能切换。每个框架均可捕获或释放液体，而不受其组成材料、结构和处理的液体的影响。
图1：连接的三维多面体框架（CPFs）。图片来源：Nature Chemical Engineering
CPFs由连接的多面体框架组成（图 1a、b），这些框架可被处理液体润湿。当框架从液体中提起时，如果框架尺寸在处理液体的毛细尺度范围内，毛细力克服重力，从而使框架能够捕获液体。当框架以不同的方式连接时，出现了有趣的现象。以水为例，当将CPFs从水中提起时，单杆连接的框架会捕获并保留水（图 1c）；然而，水会从双杆连接的框架中排出（图 1d）。因此，单杆连接上方的框架为捕获器（捕获和保留液体的框架单元），而双杆连接上方的框架为释放器（释放液体的框架单元）。这种现象可以扩展到CPFs的3D阵列（图 1e、f）。此外，通过设计相应液体毛细尺度内的框架尺寸，可操控液体可以从水溶液扩展到生物液体、水凝胶、有机溶剂、聚合物溶液和硅油等。用其他材料（包括不锈钢、生物相容性聚乳酸（PLA）和聚氨酯（PU））打印的CPF均显示出相应液体的捕获和释放功能。这些发现表明CPFs对不同液体和框架材料具有广泛适用性。
图2：CPFs捕获和释放液体的工作机理。图片来源：Nature Chemical Engineering
当CPFs从液体中被提起时，亲液框架提供毛细力来捕获液体，而框架之间的单杆仅起到机械连接的作用，并不提供框架间液体排出的通道。通过实验、数值模拟和分析，作者详细地揭示了CPFs的液体释放机理。以立方体框架为例（图 2a），当CPF从液体中被提起时，双杆连接之间会形成一层液膜，从而将框架中的液体与下方的液体连接起来（图 2b）。此后，当框架中的液体上升到临界高度时，框架中就会发生以重力为主导的液体释放。通过进一步实验验证，作者证明了框架之间的液体连续性是决定其释放/捕获功能的关键。通过调节框架之间的液体连续性就可以轻松实现液体捕获和释放的可逆切换：破坏液体连续性可以将释放转变为捕获；相反，建立液体连续性将把捕获转变为释放。有很多方式可以实现液体连续性的破坏或创建，例如界面聚合、界面凝胶化、戳破液膜等可以破坏液体连续性；而双杆连接、液滴-液滴接触、液膜接触等可以构建液体连续性。
图3：可编程的三维液体图案化。图片来源：Nature Chemical Engineering
可编程三维液体图案化对于生物和化学过程的三维时空控制非常重要，但对于现有的流体操纵技术具有很大的挑战性。作者利用CPFs可切换的液体捕获和释放功能突破了这一技术瓶颈，实现了液体的可编程三维图案化。可编程液体图案化的基本编码原理如图3a、b所示；即双杆连接之上的释放器记为“0”，单杆连接之上的捕获器记为“1”。通过设计框架连接，可以对捕获器和释放器的三维空间排列进行编程，从而获得目标液体图案（图3c-e）。结合界面凝胶化，作者进一步实现了多元流体的可编程三维结构化，并以多种药物可控释放为例，展示了其在多物质浓度三维时空控制的应用（图3f-j）。结合界面聚合，还实现了简单可行的多材料制造。归功于CPFs对各种各样液体材料的普适性，CPFs可实现多元细胞/细菌培养、3D化学梯度生成和多材料结构制造，用于细胞间通讯、细菌生态学、化学工程和混合生物打印等众多领域。
图4：CPFs在界面过程的应用。图片来源：Nature Chemical Engineering
基于可切换液体捕获和释放功能，CPFs可用作多功能界面处理平台。如图 4a 所示，首先使用CPF阵列将反应液分散成3D液体阵列，可大幅增加流体界面面积以促进界面过程。界面过程结束后，将捕获切换为释放，能完全回收分散的产物液体，可方便产品的浓缩、纯化和检测。该平台广泛适用于多种多样的气-液和液-液界面过程。以流感病毒检测为例，作者展示了CPFs的高效液体释放功能，可有效解决传统采样工具释放不完全的问题（图 4b、c）。此外，利用CPFs的液体封装功能实现了有效的细菌封装，极大地提高了微生物的利用率并简化了产物分离过程（图 4d、e）。利用CPFs阵列，可以大规模地实现流体三维结构化，进而实现了高效低能耗的蒸发型加湿器（图 4f）。CPFs还可执行理想的CO2循环过程，其中包括高效的二氧化碳捕获、储存和再利用（图 4g）。
总而言之，通过调控CPFs框架之间的液体连续性，可精确控制每个框架的可编程、可切换的液体捕获和释放功能。CPFs提供了一个多功能的流体操纵平台：所操纵的液体可承载各种材料和信息，所结构化的液体界面可以强化各种界面过程。此发明将极大地推动界面科学和软材料等许多领域的发展。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44286-024-00090-w
