日前，复旦大学商珞然研究员团队及其合作者在空气净化方面取得最新进展。团队成员受到人体呼吸系统液体辅助颗粒物过滤机制的启发，开发了一种液体门控拓扑微流控技术，高通量制备尺寸可控的微气泡用于构建仿生气-液界面，并将其用于不同领域的空气净化应用。2024年9月26日，该研究成果以“Biomimetic air purification with liquid-gating topological gradient microfluidics”为题发表在 Nature Chemical Engineering 期刊上。文章的第一作者是东南大学陈涵旭。
空气质量在环境保护、区域气候调节和生态系统服务等方面具有重要作用，已引起全球广泛关注。伴随着社会工业化的快速发展，大气污染，尤其是颗粒物污染给公众健康造成了严重的负担。为了应对这一挑战，研究人员开发了一系列策略来去除可吸入颗粒物污染物，如聚合物阻滞剂、多孔吸附剂和纤维过滤器。基于颗粒吸附的方法作为一种简单高效的选择，已广泛应用于各个领域。然而，传统的多孔过滤器或吸附剂存在污染物过度沉积和功能过滤单元堵塞的问题，不可避免地需要经常更换。有趣的是，研究人员提出了一种空气净化策略，利用液体门控技术，通过在微气泡上发展传质界面来捕获颗粒。这种方法解决了过滤器界面上过多污染物积聚的问题，提高了可重用性，同时潜在地降低了总体成本。特别是气液界面的颗粒捕获越来越受到人们的关注，具有高效率和防污性能。尽管取得了一些进展，但预测污染物捕获过程中气/液界面的演变和控制气泡均匀性仍然具有挑战性。此外，稳定、高通量气泡生成的困难给净化效率的提高带来了进一步的挑战。因此，仍然需要新的净化策略来持续有效地捕获颗粒污染物。
图1：受肺部过滤机制启发的液体门控拓扑微流控技术。
商珞然研究员团队受到人体肺颗粒物过滤机制的启发，制备了用于仿生空气净化的液体门控拓扑梯度微流体装置，基于数字光投影辅助3D打印技术，采用光固化树脂制备了具有梯度几何限域的微通道喷嘴阵列。由于梯度的限域变化和拉普拉斯压降的作用，泵入喷嘴的连续气流在喷嘴出口产生尺寸可控的微气泡，同时液体的浮力有助于微泡从喷嘴释放到静态功能液体中。作者重点研究了气泡形成的潜在机理，建立了气液界面演化动力学的物理模型。在此基础上，通过调整喷嘴的几何参数来调节气泡的直径和产生频率。此外，空气携带的颗粒物可以在气液界面被捕获，并有效地从空气中去除到静态功能液体中。基于该策略优越的过滤性能，作者构建了一个集成的小型化装置用以实现高效的空气净化。此外，该装置具有优异的抗堵塞、抗腐蚀和气体可视化检测性能。总的来说，作者开发的空气净化系统具有效率高、灵活性好、稳定性好、经济成本低等明显优势。此外，结合易于集成和小型化特点，使得液体门控拓扑梯度微流体装置在空气净化、疾病预防以及相关工业应用方面具有很大的前景。（来源：科学网）
