近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出一種可作為“逆向”過(guò)濾器使用的自修復(fù)薄膜。與普通過(guò)濾器的機(jī)制恰好相反，它可以過(guò)濾掉較大的物體，而留住較小的物體。

背景

過(guò)濾器，是人類最早理解并使用的簡(jiǎn)單工具之一。一般來(lái)說(shuō)，典型的過(guò)濾器，例如濾網(wǎng)或者篩子，都是通過(guò)一定尺寸的網(wǎng)眼起到過(guò)濾作用。把要過(guò)濾的東西放在濾網(wǎng)上晃動(dòng)，較大的物體就留在網(wǎng)眼上面，而較小的物體就漏了下來(lái)。

現(xiàn)在，我們不妨對(duì)于這種傳統(tǒng)的工具展開(kāi)大膽的設(shè)想，采用相反的方式設(shè)計(jì)過(guò)濾器：留住較小的物體，讓較大的物體通過(guò)。這似乎聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像科幻小說(shuō)中的情節(jié)，但是也并非不可能實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出一種自修復(fù)薄膜，可作為“逆向”過(guò)濾器使用。與普通過(guò)濾器的機(jī)制恰好相反，它可以過(guò)濾掉較大的物體，而留住較小的物體。他們的研究成果于8月24日在期刊《Science Advances》上在線發(fā)表。研究人員已經(jīng)為這項(xiàng)研究申請(qǐng)了國(guó)際專利。

技術(shù)

該校機(jī)械工程系研究生 Birgitt Boschitsch 表示：“傳統(tǒng)的過(guò)濾器，就像煮咖啡使用的那些，會(huì)讓較小的物體通過(guò)，讓較大的物體留下。”

然而，她與她的研究團(tuán)隊(duì)卻開(kāi)發(fā)出一種恰好相反的方案，采用一種穩(wěn)定的液態(tài)材料篩選出較小的物體，而讓較大的物體通過(guò)。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了這種液體的獨(dú)特性能。機(jī)械與生物醫(yī)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，然后再拿出來(lái)，水的表面會(huì)自我修復(fù)。”

新開(kāi)發(fā)的這種薄膜也一樣，但是不同于傳統(tǒng)的過(guò)濾器，它并不是通過(guò)尺寸篩選物體。相反，它會(huì)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)與能量作出響應(yīng)。

Wong 表示：“通常，一個(gè)較小的物體因?yàn)橘|(zhì)量較小，所以相關(guān)的動(dòng)能也較低。這樣一來(lái)，具有較高動(dòng)能的較大物體將通過(guò)這種薄膜，而具有較低動(dòng)能的較小物體將被攔住。”

此外，當(dāng)物體通過(guò)薄膜時(shí)，薄膜會(huì)包覆物體，因此隨著物體頂部通過(guò)薄膜，薄膜會(huì)完全自我修復(fù)。

這種薄膜最簡(jiǎn)單的形式，就是通過(guò)水以及一種能穩(wěn)定液體與空氣之間界面的物質(zhì)來(lái)制造，這種結(jié)構(gòu)與生物細(xì)胞膜相似。為了創(chuàng)造最初的原型，團(tuán)隊(duì)采用了簡(jiǎn)單的皂膜。然后，這些成分可以被修改和優(yōu)化，具有獨(dú)特的用途，例如改善機(jī)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。為了定制薄膜用于感興趣的地方，可選擇的添加劑不勝枚舉。”

價(jià)值

著眼于未來(lái)，研究人員構(gòu)想了這種薄膜的許多創(chuàng)造性的真實(shí)世界應(yīng)用。如果醫(yī)生需要在沒(méi)有干凈的手術(shù)室環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)放性手術(shù)，例如偏遠(yuǎn)地區(qū)或者戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，這種材料可以作為外科手術(shù)薄膜，幫助復(fù)制安全的手術(shù)所需的潔凈環(huán)境。

這種薄膜不僅可以阻擋顆粒，而且自修復(fù)特性也使得醫(yī)療設(shè)備例如手術(shù)工具可以通過(guò)，而污染物無(wú)法通過(guò)。Wong 表示：“這種薄膜過(guò)濾器有望阻擋細(xì)菌、灰塵或者過(guò)敏原到達(dá)開(kāi)放性傷口，同時(shí)讓醫(yī)生可安全地進(jìn)行手術(shù)。這種薄膜讓這一切變得可能。”

這項(xiàng)研究也將為那些衛(wèi)生條件堪憂的欠發(fā)達(dá)地區(qū)帶來(lái)積極的影響。

Boschitsch 解釋道：“由于許多原因，世界上有十億人口仍然會(huì)在露天排便，其中一個(gè)原因就是公共廁所內(nèi)臭氣熏天。但是，如果那些廁所采用這項(xiàng)技術(shù)，固體排泄物將會(huì)通過(guò)這種薄膜，而引起臭味的氣體將會(huì)被阻擋。”

正是這種對(duì)真實(shí)世界的潛在影響力啟發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)。Boschitsch 表示：“我一直對(duì)開(kāi)發(fā)能直接幫助人們的技術(shù)感興趣。制造一些東西幫助人類應(yīng)對(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，例如在發(fā)展中國(guó)家，對(duì)于我來(lái)說(shuō)是非常有意義的。”

潛在應(yīng)用一：昆蟲與顆粒的屏障

潛在應(yīng)用二：自潔凈、防污染的薄膜用于連續(xù)的顆粒分離。

潛在應(yīng)用三：氣體\氣味過(guò)濾

未來(lái)

展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這種薄膜的高級(jí)功能，與其他研究人員一起測(cè)試這種薄膜，并帶來(lái)實(shí)際應(yīng)用。Wong 表示：“前途不可限量。”