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受鱼嘴启发的高效过滤器造出,神奇的液态薄膜

日期:2019-12-05编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:神奇的液态薄膜过滤器:与传统过滤器机制相反,应用前景不可限量!

鲸鲨等滤食性鱼类有一个特殊技能——大口吃东西的时候,能在保留食物颗粒的同时滤除不想要的杂物,并且永远不会被堵塞。美国一个研究小组受此启发开发出一种高效的仿生学过滤器。该研究为设计出更有效的工业过滤器铺平了道路,有望在诸多领域获得应用。

导读

滤食性鱼类的这种技能,让不少科学家为之着迷。但使其口腔过滤器避免堵塞的流体动力学过程,在过去一直无人知晓。

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。

在新研究中,美国威廉与玛丽学院的劳莉·桑德森和她的团队借助3D打印技术,制造出了一个锥形的尼龙塑料模型,用其模仿匙吻鲟和姥鲨口腔中被称为鳃弓的结构。鳃弓,是硬骨或软骨形成的弓形结构,用于支撑鱼鳃,能加速水在鱼口腔中的流动,形成水流和涡旋。这种独特的结构会让小颗粒集中,提高滤食性鱼类的捕食效率。

背景

澳门新葡8455手机版 ,桑德森团队对该模型和三种匙吻鲟的口腔结构进行了测试,结果发现,模型中的过滤结构和鱼的过滤结构,都能通过在液体中产生涡旋的方式来捕获食物颗粒,防止堵塞。

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。

研究小组发表在《自然—通讯》杂志上的论文称,该装置不但具有高效的过滤能力,甚至还能捕获比过滤器网眼更小的颗粒。这项发现可在生产啤酒和奶制品等一系列对液体有效过滤有需求的工业上获得应用。

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研究人员称,该研究提出了一种被称为“涡旋跨步式过滤”的新模式,可将其推导到其他拥有类似口腔结构的滤食性生物上,例如蝌蚪、鸭子、鲸鱼等。该成果有望带来更高效快捷的工业过滤方式。

(图片来源:维基百科)

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。

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(图片来源:Tak-Sing Wong Lab)

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。”

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液态薄膜的原理(图片来源:参考资料【2】)

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