厦门大学侯旭课题组JPCL | 结晶诱导液门实现可调气流输运控制

英文原题：Crystallization-Induced Liquid Gate for Tunable Gas Flow Control

通讯作者：侯旭、Jing Liu（厦门大学）

作者：Yuhang Han, Xinlu Huang, Kunxiang Chi, Jing Liu*, Yunmao Zhang, Jian Zhang, Xu Hou*

气流输运控制在化学工程、环境治理、生物医药、航空航天等领域都起着重要的作用，而更精确的气流控制如恒压环境下气体流量的调节对于智能阀门、微反应器、药物释放等应用的发展有着实际意义。然而传统的气流调节方式大多依赖组件复杂、需要外部电路连接的电磁阀，这妨碍了应用器件的小型化、集成化发展。

近年来，以液体作为动态结构/功能材料的液体门控技术，突破了单一固体材料的限制，具备抗污染、节能、功能可控等性质，作为一种新型的膜基气流控制方法受到了广泛关注。这种液体门控技术为气流可控输运领域的发展带来了技术突破，但如何在恒压环境下实现气体输运流量的调节，仍是一个具有挑战性的课题。

近日，厦门大学侯旭教授课题组在J. Phys. Chem. Lett. 期刊上发表研究论文，报道了一种通过超声刺激调控微米孔道内溶液结晶行为，从而调节气流输运行为的结晶诱导液体门控系统。该系统由具有优异过冷能力的醋酸钠过饱和溶液与亲水修饰后的多孔固体框架通过毛细作用稳定复合而成，如图1a所示，根据经典成核理论，过饱和溶液结晶过程需要跨越成核能垒，而超声刺激通过增加溶质分子间碰撞概率与超声空化气泡作用可以显著降低成核能垒，并且随着超声功率的增加成核能垒逐渐减小，孔道内的晶体密度逐渐增加，从而改变液体填充的微米孔道有效尺寸，改变气体通过液体孔道所需要的跨膜临界压强 (Liquid gating critical pressure)，且由于成核能垒的存在撤去外界刺激后系统仍可以保持结晶态。利用这种超声响应的可控结晶行为，结晶诱导液体门控系统可以在恒压环境下以简单、紧凑、节能的方式实现对气体输运流量的调节。同时，由于结晶过程伴随的放热现象，不同结晶状态的液门具有不同的红外热成像图像（图1b）。这种可与红外观测技术结合的气体流量调节策略有望应对气流控制技术在多种复杂环境中的应用需求。

图1. 结晶诱导液门工作原理示意图。(a) 势能随成核过程的函数及具有不同结晶状态的结晶诱导液门示意图；(b) 恒压环境下，不同超声功率对通过结晶诱导液门的气体流量调节行为及对应的红外热成像温度图。

这项研究提出了一种具有气流可控输运行为的超声响应结晶诱导液门，并从实验和理论两方面验证了液门的稳定性、可控结晶行为及其可调门控机制，探究了其在流量调节阀与微反应器中的应用前景（图2），为智能响应材料的设计及气体流量控制带来了新的思路。

图2. 结晶诱导液门的应用演示。(a) 可红外监测的流量调节阀；(b) 具有气体定量释放行为的化学反应器。

相关研究成果发表在J. Phys. Chem. Lett. 特刊“庆祝能源材料化学协同创新中心（iChEM）成立十周年”上，厦门大学化学化工学院博士研究生韩雨航与硕士毕业生黄欣露为论文的共同第一作者。

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Crystallization-Induced Liquid Gate for Tunable Gas Flow Control

Yuhang Han, Xinlu Huang, Kunxiang Chi, Jing Liu*, Yunmao Zhang, Jian Zhang, Xu Hou*

J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, XXX, 8997–9002

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c01928 

Published August 26, 2024

© 2024 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）