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  液門結(jié)合了固體與液體材料的特性，具有可重構(gòu)界面、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和適應(yīng)性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出在多種實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。然而，液門面臨的一大挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)和原位觀察其開(kāi)關(guān)行為，這直接限制了其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的廣泛適用性。為此，該研究開(kāi)發(fā)了一種磁響應(yīng)光子液態(tài)門，能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)色的變化，實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)氣體輸運(yùn)開(kāi)關(guān)閾值。通過(guò)在受限磁性膠體懸浮液中調(diào)控粒子重新配置，磁場(chǎng)能夠同時(shí)調(diào)節(jié)界面機(jī)械特性和衍射光的變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體輸運(yùn)開(kāi)關(guān)閾值與液態(tài)門顏色狀態(tài)之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。該視覺(jué)系統(tǒng)不僅在外觀和功能上能夠響應(yīng)變化，還能使氣體釋放的實(shí)時(shí)調(diào)控被肉眼清晰感知。此外，這種材料策略具有直接識(shí)別、快速預(yù)測(cè)和簡(jiǎn)便操作的特點(diǎn)，為視覺(jué)化化學(xué)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)流體控制以及多功能集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了新的應(yīng)用前景。

  研究團(tuán)隊(duì)將磁性氧化鐵納米簇（Fe₃O₄ CNCs）膠體懸浮液作為功能門控液體注入尼龍微孔膜，傳輸流體為空氣，構(gòu)建磁響應(yīng)光子液體門（MPLG）（圖1）。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，納米粒子隨機(jī)分布呈棕褐色；當(dāng)施加磁場(chǎng)，粒子瞬間排列成鏈狀光子晶體，衍射出明亮的顏色。通過(guò)布拉格衍射原理（λ=2ndsinθ），粒子間距（d）減小導(dǎo)致衍射光波長(zhǎng)藍(lán)移，液門顏色可實(shí)現(xiàn)從橙→綠→藍(lán)→紫的變化。在壓力驅(qū)動(dòng)下，不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致膠體顆粒的不同排列及結(jié)構(gòu)色變化，從而引起氣體傳輸開(kāi)關(guān)壓力閾值的變化。由此，建立了顏色狀態(tài)與開(kāi)關(guān)壓力閾值之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 磁響應(yīng)光子液體門（MPLG）的構(gòu)筑

  研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了多種微孔膜材料（如尼龍、PVDF、PTFE），最終發(fā)現(xiàn)尼龍膜憑借其優(yōu)異的浸潤(rùn)性和較低的啟動(dòng)壓力（約41kPa）成為最佳選擇。更令人驚喜的是，即使將裝置倒置或傾斜，毛細(xì)作用力也能將磁性膠體懸浮液牢牢鎖在微孔中，壓力閾值保持不變。此外，通過(guò)改變膜上的孔徑大�。�1μm到10μm），可以靈活調(diào)節(jié)壓力閾值的工作范圍（22kPa到91kPa）。

圖2 MPLG系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)行為控制

  研究表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度是主要的結(jié)構(gòu)色顯示影響因素：將磁鐵從遠(yuǎn)處（約100 mm，磁場(chǎng)接近零）移近，粒子間距逐漸縮小，液門的顏色便從棕色依次變?yōu)榫G色、藍(lán)色，最終到紫色。同時(shí)，粒子濃度也是一個(gè)重要因素，它會(huì)影響閾值壓力的變化趨勢(shì)和顏色的藍(lán)移程度。

圖3 MPLG顏色指示機(jī)制

  為了直觀演示，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)透明的氣體閥門系統(tǒng)。在出口管道中放置一滴紅色液滴作為氣體流速的標(biāo)記。當(dāng)液門呈現(xiàn)棕色（低閾值）時(shí)，氣體更容易通過(guò)，2分鐘內(nèi)將液滴推動(dòng)了10厘米。當(dāng)通過(guò)加強(qiáng)磁場(chǎng)將液門調(diào)成紫色（高閾值）時(shí)，氣體阻力增大，相同時(shí)間內(nèi)液滴僅移動(dòng)了23.8厘米。

圖4 MPLG應(yīng)用展示。

總結(jié)

  該文開(kāi)發(fā)了一種磁響應(yīng)光子液門，通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控Fe₃O₄膠體納米粒子在尼龍多孔膜內(nèi)的有序排列，實(shí)現(xiàn)氣體傳輸開(kāi)關(guān)閾值的原位可視化監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于磁場(chǎng)可同步調(diào)節(jié)膠體粒子間距，從而動(dòng)態(tài)改變光子晶體的結(jié)構(gòu)色和界面力學(xué)性質(zhì)：增強(qiáng)磁場(chǎng)使粒子鏈間距減小，導(dǎo)致氣體傳輸開(kāi)關(guān)閾值壓力（P_ST）升高，同時(shí)衍射光波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移（如橙色向藍(lán)色轉(zhuǎn)變），建立顏色與P_ST的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)黏附功優(yōu)化，尼龍膜與膠體懸浮液形成穩(wěn)定體系，結(jié)合粒子濃度和膜孔徑的調(diào)節(jié)，可適配不同壓力場(chǎng)景�；诖藰�(gòu)建的透明氣體閥門裝置，通過(guò)磁鐵距離調(diào)控液門顏色，無(wú)需外接電路即可直觀反映氣體釋放量（如液滴位移與顏色關(guān)聯(lián)），為化學(xué)檢測(cè)、流體控制及智能閥門系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、節(jié)能的可視化調(diào)控平臺(tái)。

  該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52025132、U24A20205、52303373、21621091、22021001、22121001、52300138 和 T2241022）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2024M761761）、福建省國(guó)家科學(xué)基金（2022J02059）、111 項(xiàng)目（B16029、B17027）以及 XPLORER PRIZE 新基石科學(xué)基金的支持。

  原文鏈接：

  Magneto-Responsive Photonic Liquid Gate with Color-Indicated Gas Transport Switching Threshold

  Advanced Functional Materials

  Liting Pan, Shijie Yu, Zemin Chen, Yina Jiang, Yunmao Zhang, Jing Liu, Xu Hou

  https://doi.org/10.1002/adfm.202506507

  侯旭課題組鏈接：https://xuhougroup.xmu.edu.cn/