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俞燕蕾和易志坚两个团队的研究进展喜人
    时间:2016-10-21     点击率:7323

编者按:金秋九月,在我们迎接国庆67周年的时刻,科学家门以他们研究的新成果向祖国和人民献礼。本刊仅撷取两则消息,以飨读者。

俞燕蕾和易志坚两个团队的研究进展喜人

1. 复旦俞燕蕾团队研发光控微流体新技术

98日,复旦大学材料科学系与聚合物分子工程国家重点实验室俞燕蕾教授团队在《自然》(Nature)杂志发表关于光控微流体领域的最新研究成果。据悉,该项研究成果已申报中国发明专利和国际PCT专利。

俞燕蕾团队突破了微流控系统简化的难题,创造性地采用自主研发的新型液晶高分子光致形变材料,构筑出具有光响应特性的微管执行器,在几平方厘米的芯片上,通过光操控各种液体的复杂流动,形成无需外接设备的驱动新机制。《自然》杂志的评审专家说,这种光控毛细管可以驱动各种类型的液体沿着曲径运动,甚至可以驱动液体爬坡。这类细小的管子可以用于生物医用设备、微泵等技术领域。审稿专家还认为,操控微量液体进行反应和分析的系统在许多实验室的研究中至关重要,并在很多领域展现出重要的实际应用价值。光能可以被用来激发液体运动,但是现有的光驱动技术存在驱动路径单一、驱动距离短,以及可驱动液体种类有限等缺陷。所以,国外同行专家对此项成果,给出了“超越现有的微流体操控技术,是具有真正开创意义的优秀成果(Superior to all existing technologies; very nice piece of work with real openings)”的评价,并对其未来应用前景予以了充分肯定,称这项技术必将引起众多领域科学家的广泛兴趣。

    下面来具体看看这个光控微流体的新技术吧:

1)驱动新机制:光致形变令毛细作用力显“神通”。微量液体传输是涉及诸多领域的重要问题。诸如昂贵液体药品的无损转移、微流体器件与生物芯片中的液体驱动等,都与之直接相关。近年来,伴随微流体芯片的自身尺寸不断缩小,功能单元数量日益增多,相应的外部驱动设备和管路越来越复杂和庞大。微流控系统的进一步简化成为制约微流体领域发展的瓶颈问题,亟待从根本上提出创新性的微流体驱动新机制。而可以精密聚焦,并能够做到非接触控制的光,恰以其如上特点成为了在微流体芯片上进行微小尺度的流体操控的上选。然而,已报道的光控液体运动或多或少存在限制。譬如,利用光诱导的马兰戈尼效应操控微量液体,需要向样本添加光响应化合物,样本污染在所难免;利用激光照射液体产生的热能进行操控,可能因温度变化而影响其在生化领域的应用;利用光诱导的表面润湿性梯度操控微量液体,则只适用于少数特定液体,且仅可做短程直线运动,无法满足实际需求……所以驱动路径单一、驱动距离短、可驱动液体种类有限是现有光控微流体技术的主要缺陷。俞燕蕾团队长期从事液晶高分子材料及其光致形变性能的研究,他们发现润湿的液体能够在轴向不对称毛细作用力驱动下,自发向锥形毛细管的细端移动。这样,团队别出心裁地设计构建出一种管径可在常用LED可见光源刺激下发生不对称变化的微米尺度液晶高分子微管执行器,兼具流体通道和驱动泵的双重功能。通过由管径变化所诱发的毛细作用力变化,利用光来操控微管中的液滴运动,从而得以用一种与过往全然不同的方式实现液体的驱动。这一新机制突破了现有机制限制的基本方向。

管状微型执行器意图:a,动脉血管结构示意图;b,新型液晶高分子材料的分子结构;c,在光刺激下,微管由圆柱形形变为圆锥形,产生毛细作用力,推动液体向窄端移动(示意图);d,在梯度衰减的470nm可见光照射下,微管执行器驱动液体运动;e,直形、Y形、S形、螺旋形微管执行器照片,管径~0.5mm

2)仿生设计:从动脉血管到新一代液晶高分子材料。传统的微流体器件通常采用硅材料、玻璃等非响应性材料构建。由这些材料构筑的微流体器件需要连接许多外部驱动设备来完成微量液体的操控。而以往报道的液晶高分子材料多为交联液晶高分子,化学交联网络的存在又使得这些材料不溶不熔,无法满足三维立体形状执行器的实际加工需要。如何设计一种加工性能优越、能够制成微管执行器的新型液晶高分子材料?依据仿生学知识,生物动脉血管管壁因其层状结构的存在,可承受高达2000毫米汞柱的压强,可谓异常坚韧。受此启发,团队通过仿生设计,利用开环易位聚合法,团队成功制备出超高分子量的新型光致形变液晶高分子材料。它是一种全新结构的线型液晶高分子,没有化学交联结构,兼具优良的溶液和熔融加工性能,并可自组装形成类同于生物动脉血管的纳米层状结构,拥有良好的机械性能。其断裂伸长率可达传统交联液晶高分子的100倍,能够以简便的溶液加工法制成多种形状。采用这种新一代高性能液晶高分子光致形变材料,俞燕蕾团队已成功构筑直形、Y形、S形及螺旋形自支撑微管执行器,可用于在光照条件下操控不同类型的液体运动,包括水溶液、血清蛋白溶液、细胞培养液、乙醇、植物油、汽油……等等极性和非极性液体、复杂流体,甚至是生物样品。

运用仿生原理制成的“毛细血管”

2. 重庆交大易志坚科研团队找到沙漠土壤化的力学“密码”

想象一下,沙漠如果可以变为绿洲,我们的生态环境是不是会更美好?然而,有效治理沙漠化一直是全球性难题。92日,媒体记者报道了,重庆交通大学易志坚教授科研团队经过多年研究,发现了土壤颗粒间存在一种特定的约束,他们将这一原创力学理论运用于沙漠土壤化的生态恢复,并在内蒙古实地试验取得了成功。该项科研成果已在《中国科学》等杂志上发表。

 

易志坚教授接受媒体采访

“土壤在湿的时候是流变状态,干的时候则是固体状态。”易志坚这样说道,自己的学术生涯始于断裂力学研究,成果曾经应用在公路、桥梁建设。在研究力学的时候,发现了“物质的颗粒约束决定物质的状态”这一原理。因此想到,该原理是否可以同样运用到沙漠治理中呢?

由于土壤的力学特性赋予了土壤特有的生态-力学属性,那么沙粒为什么没有呢?易志坚科研团队发现:让土壤能够在两种状态下自由转换的“密码”,是“万向结合约束(即ODI约束)”。正是这种约束,使土壤具备自修复和自调节的能力,可以在水的作用下在流变和固体两种状态间进行转换,并且“抱住”植物根系、维持植物稳定,保水、保肥和透气。但是,一般而言,沙粒不具备这一特性。那么,如果在沙子之间也能引入万向结合约束,能不能达到沙漠土壤化的目标呢?

该团队从2009年开始,在重庆小范围持续地进行种植试验。如今,他们终于找到一种植物性纤维黏合剂,将其与沙子、水混合之后,能够让沙子也像土壤一样粘合在一起,再施以养分,植物便可以在土壤化后的沙土上生长。他们在交大校园附近做了4年试验以后,从20164月开始,团队在内蒙古阿拉善乌兰布和沙漠进行了沙漠“土壤化”生态恢复实地试验,在25亩沙地上经过约3个月的时间,目前各类植物长势良好,包括玉米、小麦、瓜果、蔬菜、向日葵、牧草等70多种植物。不仅如此,在这片过去毫无生气的土地上,狐狸、蛙类、鸟类、老鼠和许多昆虫也来了。他们找到了将沙漠变绿洲的方法!据了解,运用这种技术对沙漠进行大规模改造的成本约为每亩1500元至2700元,成本低、易施工,在离水源比较近、或者有充足地下水的沙漠,都可以实现沙漠的土壤化。易志坚教授说,使用旋耕机操作,单台单日施工面积约30亩,一次改造后即可持续耕种,且后续种植对土质具有提升作用。运用力学原理实现沙漠向土壤性能的逆转,目前国际上没有公开报道的先例。此项技术是治沙思路的重大创新,有望成为沙漠变绿洲的一种重要手段。有了沙漠土壤化原理和方法,是不是就可以把所有的沙漠变成绿地?易志坚说,沙漠土壤化是一项复杂的社会经济系统工程,需要充分的科学论证和满足必要的条件,如满足灌溉要求的水源等。

用力学原理把沙变成土壤,让沙漠土壤化,让人难以置信,也让我们力学人感到欣慰。

沙改土过程:实验基地改造前(上)后(下)对比

沙改土基地种植的西瓜

沙改土基地种植的玉米

沙改土基地种植的向日葵

 

(何郁依据网络资料撰文)