薄膜过滤器应用前景不可限量

美国宾夕法尼亚州立大学的工程师们开发出一种可作为“逆向”过滤器使用的自修复薄膜。薄膜过滤器与普通过滤器的机制恰好相反,它可以过滤掉较大的物体,而留住较小的物体。过滤器,是人类最早理解并使用的简单工具之一。一般来说,典型的过滤器,例如滤网或者筛子,都是通过一定尺寸的网眼起到过滤作用。把要过滤的东西放在滤网上晃动,较大的物体就留在网眼上面,而较小的物体就漏了下来。现在,我们不妨对于这种传统的工具展开大胆的设想,采用相反的方式设计过滤器:留住较小的物体,让较大的物体通过。这似乎听起来有点像科幻小说中的情节,但是也并非不可能实现。近日,美国宾夕法尼亚州立大学的工程师们开发出一种自修复薄膜,可作为“逆向”过滤器使用。与普通过滤器的机制恰好相反,它可以过滤掉较大的物体,而留住较小的物体。他们的研究成果于8月24日在期刊《Science Advances》上在线发表。研究人员已经为这项研究申请了国际专利。该校机械工程系研究生 Birgitt Boschitsch 表示:“传统的过滤器,就像煮咖啡使用的那些,会让较小的物体通过,让较大的物体留下。”然而,她与她的研究团队却开发出一种恰好相反的方案,采用一种稳定的液态材料筛选出较小的物体,而让较大的物体通过。团队通过实验研究了这种液体的独特性能。机械与生物医疗工程系助理教授 Tak-Sing Wong 解释道:“如果你将手指放入一杯水中,然后再拿出来,水的表面会自我修复。”新开发的这种薄膜也一样,但是不同于传统的过滤器,它并不是通过尺寸筛选物体。相反,它会对物体的运动与能量作出响应。Wong 表示:“通常,一个较小的物体因为质量较小,所以相关的动能也较低。这样一来,具有较高动能的较大物体将通过这种薄膜,而具有较低动能的较小物体将被拦住。”此外,当物体通过薄膜时,薄膜会包覆物体,因此随着物体顶部通过薄膜,薄膜会完全自我修复。薄膜过滤器这种薄膜最简单的形式,就是通过水以及一种能稳定液体与空气之间界面的物质来制造,这种结构与生物细胞膜相似。为了创造最初的原型,团队采用了简单的皂膜。然后,这些成分可以被修改和优化,具有独特的用途,例如改善机械鲁棒性、抗菌特性或者气味中和。Boschitsc 解释道:“你可以添加让薄膜维持更久的成分,或者可以阻挡特定的气体。为了定制薄膜用于感兴趣的地方,可选择的添加剂不胜枚举。”着眼于未来,研究人员构想了这种薄膜的许多创造性的真实世界应用。如果医生需要在没有干净的手术室环境下进行开放性手术,例如偏远地区或者战场环境下,这种材料可以作为外科手术薄膜,帮助复制安全的手术所需的洁净环境。这种薄膜不仅可以阻挡颗粒,而且自修复特性也使得医疗设备例如手术工具可以通过,而污染物无法通过。Wong 表示:“这种薄膜过滤器有望阻挡细菌、灰尘或者过敏原到达开放性伤口,同时让医生可安全地进行手术。这种薄膜让这一切变得可能。”这项研究也将为那些卫生条件堪忧的欠发达地区带来积极的影响。Boschitsch 解释道:“由于许多原因,世界上有十亿人口仍然会在露天排便,其中一个原因就是公共厕所内臭气熏天。但是,如果那些厕所采用这项技术,固体排泄物将会通过这种薄膜,而引起臭味的气体将会被阻挡。”正是这种对真实世界的潜在影响力启发了研究团队。Boschitsch 表示:“我一直对开发能直接帮助人们的技术感兴趣。制造一些东西帮助人类应对所面临的挑战,例如在发展中国家,对于我来说是非常有意义的。”

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