美国宾夕法尼亚州立大学：研制出“逆向”的液态薄膜过滤器！

近日，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。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。

背景

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。

创新

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。

技术

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。

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。”

价值

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。”

潜在应用一：昆虫与颗粒的屏障

潜在应用二：自洁净、防污染的薄膜用于连续的颗粒分离。

潜在应用三：气体\气味过滤

未来

展望未来，团队计划进一步开发这种薄膜的高级功能，与其他研究人员一起测试这种薄膜，并带来实际应用。Wong 表示：“前途不可限量。”