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  納流控與材料科學的融合為材料研究提供了一個嶄新的舞臺。作為這個領域的探路者，大阪府立大學許巖教授受邀在近期(2017年11月2日）出版的Advanced Materials網絡版上發表了對這個領域的鳥瞰、進展述評以及展望。

  納流控科學與技術（Nanofluidics；以下簡稱“納流控”）是研究和應用納米通道或納米結構（特征尺寸通常數納米到數百納米）中流體特性的一個新興的領域。納流體現象雖然在過去的幾十年里在膜科學、膠體科學以及化學工程等領域偶爾被涉及和討論，但卻從來沒有像現在這樣廣受關注。這緣于近年納米加工技術的發展，使得在玻璃等材質的基板上加工結構控制良好的納米通道、納米孔等結構成為可能。這些典型的固體結構構成了新型的芯片―納流控芯片―技術的結構核心(圖1）。這種通常為透明平板型的芯片有一個重要的特點，那就是可以與一些現有的化學、生物、物理等技術和工具兼容。因此，納流控芯片技術提供了一種新型的實驗平臺，使得具有不同背景的科學家可以參與到納流控的研發之中。隨著近年一些納流控研究的新方法和新手段的逐漸出現，以可控、可重現、可預測的方式來探索和應用納流體輸送現象和相關特性逐漸成為可能。

圖1.納流控芯片（兩條弧形的微米通道搭接納米通道）

  從尺度上看，納流控通常被認為是從微流控演變而來的領域，但從物理機制上看，又顯然不僅僅是其簡單的延伸。這是因為，在宏觀尺度及微米尺度下未被觀察到的新的物理現象和機制(比如，離子輸送的非線性，粘度、介電常數等水的性質的改變等)開始在納米尺度出現，并占據主導地位（圖2）。這開辟了一個探索流體科學和應用的嶄新天地。

圖2.納流控領域關聯物理現象與效應，以及相同尺度下代表性的材料和物質

  近年，雖然這些新的物理現象和機制被深入研究，但以納流控技術為核心的重要應用卻屈指可數。與其“風華正茂”的“兄弟”微流控相比，納流控領域仍處于“孩提”時期。這主要是由于納米通道極其微小且封閉，廣泛應用于微流控和開放體系納米研究的各種技術和手段很難直接應用于納流控領域。加工技術、流體控制技術、功能集成技術以及檢測技術的缺乏，使得整個納流控領域停滯在單純的“納流”現象的研究階段，而納流控的“控”的精髓無法實現。這些都極大地阻礙著整個納流控領域向著發揮和實現其潛力以及與其他學科融合的前進步伐。為解決上述關鍵課題和挑戰，大阪府立大學許巖教授帶領的團隊近幾年取得多個相關技術突破，以獨特的“Nano-in-Nano集成”方法論，通過在納米通道中創新性地構筑納米材料界面和功能部件，建立了一系列面向納流控的納米加工（Xu Y., Lab Chip, 2015, 15, 1989; Xu Y., Lab Chip, 2015, 15, 3856; Xu Y., RSC Adv., 2015, 5, 50638; Xu Y., Lab Chip, 2013, 13, 1048; Xu Y., Anal. Bioanal. Chem., 2012，402, 1011）、流體控制（Xu Y., Adv. Mater., 2016, 28, 2209）、功能集成（Xu Y., Small, 2015, 11, 6165）、分子捕捉及檢測(Xu Y., Lab Chip, 2015, 15, 1989)等的方法和技術，初步實現了納流控的“控”的精髓，為納流控與其他學科（特別是材料科學）的融合開拓了道路。

  俯瞰整個納流控領域，近10年相關研究雖然已經取得了顯著地進展，但是要將現在以揭示物理現象為中心的研發階段推進到未來面向應用的研發階段，仍然需要克服一系列巨大的挑戰。這些挑戰對于具有不同背景的科學家來說同時也是巨大的機遇。我們期待材料科學會在納米加工方面一如既往地繼續發揮其關鍵作用之外，還會在納流控研究的很多其他方面扮演重要角色。例如，可控的納流體環境會為探索材料潛力和創造新材料提供前所未有的嶄新舞臺。如果能將不同材料和前述的納米通道內各種獨特的納流體物理現象和效應巧妙地結合，并同時充分地利用那些與材料性質息息相關的納米通道的極微小空間特征（例如，超高表面積體積比、超短擴散長度、超短傳熱距離等），那么我們就有充分的理由預測，在這個新舞臺上，我們不但可能開發出一系列材料合成的嶄新手法，而且還可能實現一些在宏觀及微米尺度下無法獲得的材料性能的飛躍。此外，如圖2所示，很多我們非常感興趣的重要的納米材料或物質都與納流體處于大致相同的尺度。因此，借助納流控，我們非常期待可以實現在前所未有的時空分辨率下，對這些納米材料或物質（甚至小分子）進行“單個的”分離、檢測、操縱、組裝、甚至反應。同時，在納米通道中對各種功能性納米材料進行組裝和操縱，將反過來為納流控提供更多的附加功能，這將有望大大提高我們利用納流控來創建多功能新系統和應用方面的能力。

  在過去的幾年，包括許巖教授在內的多國科學家已經對材料科學與納流控相結合進行了一些初步的探索。經管并不是很多，但足以令人欣喜。作為這個領域的探路者，許巖教授受邀在近期(2017年11月2日）出版的Advanced Materials網絡版上發表了對這方面的鳥瞰、進展述評以及展望（Xu Y., Adv. Mater., doi: 10.1002/adma.201702419）。其中，進展述評的內容涵蓋相關的主要的五個研究方向（圖3），即，納流控芯片制備的新材料和新方法，納流控表面的功能性材料修飾，納流控的功能性材料部件集成，基于納流控的生物物質及納米材料操縱，以及基于納流控的納米材料合成與制備。同時，許巖教授對這個新舞臺面臨的許多關鍵性挑戰以及提供的巨大機遇也進行了討論。在這篇文章最后，許巖教授堅信材料科學將在未來的納流控發展中發揮至關重要的作用，并呼吁更多的材料科學家參與到這個新舞臺。因為如果沒有材料科學家的參與，上述的那些挑戰將難以解決。

圖3.納流控與材料科學的融合

論文信息：

Yan Xu, Nanofluidics: A New Arena for Materials Science, Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201702419

鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702419/full

許巖教授的簡介：

  許巖教授供職于日本大阪府立大學化學工程系，是該校納流控科學與技術實驗室的首席科學家。本科畢業于大連理工大學（2001年），在中國科學院大連化學物理研究所取得碩士學位后（2004年），在東京大學取得博士學位（2007年）。許巖教授研究小組的研究領域涉及納流控基礎和納流控技術在化學、生物學、醫學以及材料科學的應用，并致力于研發面向單細胞組學，單分子化學，生物材料以及納米醫學的納流控新方法和新技術。

  許巖教授研究室主頁: http://www.chemeng.osakafu-u.ac.jp/group8/index-e.html

  下載：大阪府立大學許巖教授：納流控-材料科學的新舞臺