侯旭教授课题组基于液体门控技术实现减阻界面调控揭示超高效乳化机制

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侯旭教授课题组在减阻液体门控界面乳化机制及其应用研究方面取得重要突破。相关成果“Ultrahigh efficient emulsification with drag-reducing liquid gating interfacial behavior”于7月12日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS），首次利用液体门控技术提出液-液界面减阻核心机理，通过液体门控技术获得了光滑的液-液界面来替代固体界面解决上述问题，实现了在乳化过程中有效降低液体分散时的阻力，攻克了现有乳化技术中从能耗高、效率低、污染结垢到生物活性成分易失活等技术壁垒，为乳化行业提供了新的技术路线。侯旭教授团队一直致力于“液体门控技术”的研究，该技术由侯旭等人首次提出。2020年世界权威化学组织国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）将“液体门控技术”评为该年度全球“化学领域十大新兴技术”。
       乳状液广泛应用于食品、化妆品、生物医药、材料制造和石油化工等领域。在2021年，全球乳状液的市场规模已经超过3000亿美元。乳化技术可以分为非接触法和接触法。非接触法中最常见的是超声乳化法，它利用超声波对液体的空化作用使液体形成乳状液，但是该过程通常需要非常高能量输入。并且在超声过程中，大部分输入能量容易消散为热量，从而使乳状液中的一些温度敏感的生物成分（如蛋白质、酶和细菌）因乳化过程中暴露于高温而失活。接触法包括均质、涡旋混合、微流控、膜乳化等。在上述的乳化方法中，膜乳化方法操作条件较为温和，易于放大生产，并且消耗能量相对其它方法更少。无论乳化过程中有多少种不互溶的液体，采用膜乳化方法制备乳状液时，初始乳化过程总是发生在固-液界面，并且使液体分散成液滴的剪切应力是由固体基质提供，但由于固-液界面存在较大的阻力，因此该过程仍然需要较高的压强。此外，固体基质表面或内部的污染或结垢是无法避免。

减阻液体门控界面乳化机制示意图

         该乳化研究工作利用毛细力稳定的减阻液体门控结构形成稳定的液-液界面，提供剪切应力并降低阻力，使液体易于分散成液滴（图）。理论模拟和实验分析表明了该方法高效的乳化性能。该方法能够控制液滴的大小和均匀性，并且具有优异的抗污染性能。此外，该方法为一些温度敏感的生物成分（例如酶、蛋白质和细菌）提供了一个适宜的环境，以避免它们在乳化过程中因暴露在高温下而失活。该减阻液体门控界面乳化系统有望应用于食品、日用化学品、生物医药、材料制备、石油化工等众多领域，并有助于推动全球乳液市场的研究与发展。
         该研究工作在侯旭教授的指导下，主要由博士生余诗洁（第一作者）完成，并得到福州大学孙浩课题组的支持。研究工作获得国家自然科学基金（52025132、21975209、21621091、22021001），国家重点研发计划（2018YFA0209500），高等学校学科创新引智计划（B16029、B17027）资助。
         论文链接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2206462119
           文章来源：厦门大学
       侯旭教授，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、闽江科学传播学者（首批）等。从事仿生液体门控技术与仿生纳流离子学等研究十余年，出版了两本国际学术著作，并以第一或通讯作者在高水平学术期刊如Nature, Science, Nature Reviews Materials, 国家科学评论, Fundamental Research, Science Advances, Nature Communications等上发表论文50余篇。2018年，获得中国化学会青年化学奖；2019年，获得中国胶体与界面化学优秀青年学者奖，国际微系统与纳米工程峰会优秀青年科学家等；2020年，获得第二届全国创新争先奖等，并受邀参加了央视CCTV科教频道《百家讲坛》栏目嘉宾主讲科学公开课。现任Chinese Chemical Letters高级编委、Advanced Fiber Materials、《应用化学》和《物理化学学报》青年编委、Cell 旗下Cell Reports Physical Science顾问委员会委员、中国化学会仿生材料化学委员会委员、国际仿生工程学会青年委员会委员等。