Small:液滴实验室——具有长寿命和易控温特性的液体弹珠微型反应器

液滴在重力及润湿性作用下,难以在绝大部分表面维持形状及不受污染,而当给它穿上一层“衣服”(疏水颗粒)后,不仅能有效隔绝固(液)体基底的直接接触,还能通过给予多种外界刺激(电、光、磁、力等)使其以滚动的形式实现微量液体的运输、降低表面的摩擦及提高液滴的操控性。这种被特定颗粒包围以维持稳定的液滴被称为“液体弹珠”,它独特的空间立体结构使其在微流体控制和微化学/生物反应器方面具有广泛的应用前景。但该传统液体弹珠的疏松多孔介质外壳难以阻止内部液体通过气-液界面向外挥发,因此其寿命较短,且作为微型反应器其传热效率和温度均匀性受到限制。

北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室王丹教授、香港城市大学Steven Wang教授及英国诺森比亚大学Ben Bin Xu教授组成的国际合作研究团队,提出给液体弹珠再穿上一层有机溶剂的“外衣”,即将液体弹珠封装在有机溶液中,获得了“液体中的液体弹珠(Liquid Marbles in Liquid, LMIL)”。LMIL的“外衣”有效地避免了内部液体的蒸发,使液体弹珠能够稳定存在数周而不变形或破裂,与空气中传统的液体弹珠或有机溶液中的裸露的液滴相比,其寿命提高了约1000倍。研究发现,具有较大极性的有机溶剂(>0.1)和具有疏水性质的颗粒都适用于构建该稳定的多相系统,故该策略具有广泛的适用性。此外,通过对有机溶剂的精确控温也可实现实时高效地调控液体弹珠的温度。这些优异的特点被进一步应用于具有超长寿命和优异温控的微型化学反应器和三维细胞培养器,展现出理想的结果。相关研究结果近期发表于Small期刊(DOI: 10.1002/smll.202002802)。