大颗粒可通过、小颗粒被截留——“反常规”过滤如何实现?

来源:陈惜阳 2018-10-12 03:13:24

我们都知道,无论是传统的滤纸还是先进的纳滤膜都具有多孔结构,在过滤过程中,尺寸比孔径小的物质颗粒能通过,而尺寸较大的则被截留下来,从而达到分离的目的。不过,最近美国宾夕法尼亚州立大学(PSU)的Tak-Sing Wong教授团队却发明了一种“反常规”的可自愈全液态滤膜,能让尺寸较大的颗粒通过,而截留尺寸较小的颗粒。

可截留较小颗粒的全液态膜。图片来源:TAK-SING WONG LAB / PSU

这是不是有些“违背常识”?其实,类似的现象早已存在于我们的身体之中,那就是细胞的胞吞作用。我们的身体细胞被由两亲分子组成的磷脂双层细胞膜所包裹,这种膜可以动态、灵活地调整自身结构,在其他生物学机制的配合下将外来的大分子和颗粒物质包围并转运到细胞内,而一些小得多的分子则无法进入细胞。此外,常规的固体过滤材料一旦成型之后孔结构就无法改变,而且一旦受损就会失去原有的过滤能力,相比之下,液体的自愈能力更强。正是受到这些启发,Tak-Sing Wong教授团队设计了全部由液体组成的过滤膜,实现了“大颗粒可通过、小颗粒被截留”的“反常规”的过滤。

传统滤膜及全液态滤膜的区别。图片来源:Sci. Adv.

研究团队使用了一个水和常见表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的简单二组分皂液膜。通过调节SDS的浓度,这些膜的表面张力可以在35到72毫牛每米的区间调节。为了测试这种全液态滤膜的选择透过性,他们首先将其固定在铝制金属环上,然后分别制备了两种不同尺寸的聚四氟乙烯(PTFE)珠子。接着他们发现,较大的珠子可以通过滤膜,而较小的珠子被留在膜上(下图A)。他们进一步测试了其他材料,例如玻璃和聚苯乙烯(PS),结果完全类似。这种全液态滤膜的过滤原理与常规滤膜也不同,并不依靠尺寸筛选,而是基于颗粒动能的不同进行筛选。动能与物体的质量和速度有关,同类物质颗粒尺寸较小,质量也较小,过滤过程中接触滤膜时的动能也较低,如果不能超过穿透液态滤膜所需的动能临界值(与液态滤膜表面能及穿透滤膜的能量耗散有关),这些物质颗粒就会被截留;而尺寸较大动能较大超过临界值的物质颗粒,则能够通过。此外,当较大物质颗粒通过时,液态滤膜会包裹住颗粒,使得滤膜在颗粒穿过之后完全自愈。

全液态滤膜对多种材料不同尺寸的珠子的选择性透过。图片来源:Sci. Adv.

研究者使用这种全液态滤膜进行了一些很有意思的应用演示,比如,运用这种全液态滤膜作为“保护罩”,让体型较小飞行速度较慢的昆虫以及尺寸很小的微米/纳米颗粒无法穿过,有可能一举解决大气颗粒污染物和蚊虫骚扰两大难题。

全液态滤膜限制活昆虫穿过。图片来源:Sci. Adv.

再比如,这种全液态滤膜还可以作为“反向”固体/气体分离,即允许固体通过,而截留气体,这在常规滤膜中完全不可能实现。

全液态滤膜允许固体通过却限制气体。图片来源:Sci. Adv.

这个应用有可能会惠及每一个人——厕所防臭。人流密集的车站、旺季旅游的景点,公共厕所一般都“很有味道”,如果用上这种全液态滤膜,就可以让大体积的固体废物通过而屏蔽它们散发出的味道。

除此之外,这种全液态滤膜还有多种应用潜能,甚至包括在医疗行业中用做手术膜。如果在偏远地区或在战场上,医生需要在没有洁净手术室的情况下进行开放手术,那么这种全液态滤膜就可以充当手术膜,帮助保证安全、洁净的手术环境。

全液态滤膜用做模拟手术的保护膜。图片来源:Sci. Adv.

这种全液态滤膜的结构非常简单、成本很低,可以通过使用不同的液体组分来调节膜的表面张力从而改变膜的透过选择性,而且还可以通过配套液体供应装置来延长膜的使用寿命,这种膜在医疗、水处理、城市环境、害虫控制和其他相关领域具有较大的应用前景。

后记:其实这种全液态滤膜估计很多人很早之前就看到过,尤其是家里有小朋友的。“泡泡秀”,这三个字大家不陌生吧……同样的现象,为什么笔者看到的就是一场表演,而别人却拿着发了篇Science 子刊……

图片来源于网络

原文

Free-standing liquid membranes as unusual particle separators

Sci. Adv., 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat3276

(本文由叶舞知秋供稿)

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