神奇的液態薄膜過濾器：與傳統過濾器機制相反，應用前景不可限量！

背景

過濾器，是人類最早理解並使用的簡單工具之一。一般來說，典型的過濾器，例如濾網或者篩子，都是通過一定尺寸的網眼起到過濾作用。把要過濾的東西放在濾網上晃動，較大的物體就留在網眼上面，而較小的物體就漏了下來。

（圖片來源：維基百科）

現在，我們不妨對於這種傳統的工具展開大膽的設想，採用相反的方式設計過濾器：留住較小的物體，讓較大的物體通過。這似乎聽起來有點像科幻小說中的情節，但是也並非不可能實現。

創新

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的工程師們開發出一種自修復薄膜，可作為「逆向」過濾器使用。與普通過濾器的機制恰好相反，它可以過濾掉較大的物體，而留住較小的物體。他們的研究成果於8月24日在期刊《Science Advances》上在線發表。研究人員已經為這項研究申請了國際專利。

（圖片來源：Tak-Sing Wong Lab）

技術

該校機械工程系研究生 Birgitt Boschitsch 表示：「傳統的過濾器，就像煮咖啡使用的那些，會讓較小的物體通過，讓較大的物體留下。」

然而，她與她的研究團隊卻開發出一種恰好相反的方案，採用一種穩定的液態材料篩選出較小的物體，而讓較大的物體通過。

團隊通過實驗研究了這種液體的獨特性能。機械與生物醫療工程系助理教授 Tak-Sing Wong 解釋道：「如果你將手指放入一杯水中，然後再拿出來，水的表面會自我修復。」

新開發的這種薄膜也一樣，但是不同於傳統的過濾器，它並不是通過尺寸篩選物體。相反，它會對物體的運動與能量作出響應。

Wong 表示：「通常，一個較小的物體因為質量較小，所以相關的動能也較低。這樣一來，具有較高動能的較大物體將通過這種薄膜，而具有較低動能的較小物體將被攔住。」

此外，當物體通過薄膜時，薄膜會包覆物體，因此隨著物體頂部通過薄膜，薄膜會完全自我修復。

這種薄膜最簡單的形式，就是通過水以及一種能穩定液體與空氣之間界面的物質來製造，這種結構與生物細胞膜相似。為了創造最初的原型，團隊採用了簡單的皂膜。然後，這些成分可以被修改和優化，具有獨特的用途，例如改善機械魯棒性、抗菌特性或者氣味中和。

Boschitsc 解釋道：「你可以添加讓薄膜維持更久的成分，或者可以阻擋特定的氣體。為了定製薄膜用於感興趣的地方，可選擇的添加劑不勝枚舉。」

液態薄膜的原理（圖片來源：參考資料【2】）

顆粒分離的演示與薄膜的設計（圖片來源：參考資料【2】）

價值

著眼於未來，研究人員構想了這種薄膜的許多創造性的真實世界應用。如果醫生需要在沒有乾淨的手術室環境下進行開放性手術，例如偏遠地區或者戰場環境下，這種材料可以作為外科手術薄膜，幫助複製安全的手術所需的潔凈環境。

這種薄膜不僅可以阻擋顆粒，而且自修復特性也使得醫療設備例如手術工具可以通過，而污染物無法通過。Wong 表示：「這種薄膜過濾器有望阻擋細菌、灰塵或者過敏原到達開放性傷口，同時讓醫生可安全地進行手術。這種薄膜讓這一切變得可能。」

這項研究也將為那些衛生條件堪憂的欠發達地區帶來積極的影響。

Boschitsch 解釋道：「由於許多原因，世界上有十億人口仍然會在露天排便，其中一個原因就是公共廁所內臭氣熏天。但是，如果那些廁所採用這項技術，固體排泄物將會通過這種薄膜，而引起臭味的氣體將會被阻擋。」

正是這種對真實世界的潛在影響力啟發了研究團隊。Boschitsch 表示：「我一直對開發能直接幫助人們的技術感興趣。製造一些東西幫助人類應對所面臨的挑戰，例如在發展中國家，對於我來說是非常有意義的。」

潛在應用一：昆蟲與顆粒的屏障

（圖片來源：參考資料【2】）

潛在應用二：自潔凈、防污染的薄膜用於連續的顆粒分離。

（圖片來源：參考資料【2】）

潛在應用三：氣體氣味過濾

（圖片來源：參考資料【2】）

未來

展望未來，團隊計划進一步開發這種薄膜的高級功能，與其他研究人員一起測試這種薄膜，並帶來實際應用。Wong 表示：「前途不可限量。」

關鍵字

過濾器、自修復、薄膜

參考資料

【1】https://news.psu.edu/story/533260/2018/08/24/research/self-healing-reverse-filter-opens-door-many-novel-applications

【2】http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat3276

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