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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、動態(tài)響應(yīng)性和適應(yīng)性等獨特優(yōu)勢，展現(xiàn)出在多種實際應(yīng)用中的巨大潛力。然而，液門面臨的一大挑戰(zhàn)是實時和原位觀察其開關(guān)行為，這直接限制了其在不同應(yīng)用場景中的廣泛適用性。為此，該研究開發(fā)了一種磁響應(yīng)光子液態(tài)門，能夠通過動態(tài)結(jié)構(gòu)色的變化，實時、原位監(jiān)測氣體輸運開關(guān)閾值。通過在受限磁性膠體懸浮液中調(diào)控粒子重新配置，磁場能夠同時調(diào)節(jié)界面機械特性和衍射光的變化，從而實現(xiàn)氣體輸運開關(guān)閾值與液態(tài)門顏色狀態(tài)之間的直接對應(yīng)關(guān)系。該視覺系統(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時調(diào)控被肉眼清晰感知。此外，這種材料策略具有直接識別、快速預(yù)測和簡便操作的特點，為視覺化化學(xué)檢測、動態(tài)流體控制以及多功能集成系統(tǒng)的實現(xiàn)開辟了新的應(yīng)用前景。

  研究團隊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）。無磁場時，納米粒子隨機分布呈棕褐色；當施加磁場，粒子瞬間排列成鏈狀光子晶體，衍射出明亮的顏色。通過布拉格衍射原理（λ=2ndsinθ），粒子間距（d）減小導(dǎo)致衍射光波長藍移，液門顏色可實現(xiàn)從橙→綠→藍→紫的變化。在壓力驅(qū)動下，不同的磁場強度導(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關(guān)壓力閾值的變化。由此，建立了顏色狀態(tài)與開關(guān)壓力閾值之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

圖1 磁響應(yīng)光子液體門（MPLG）的構(gòu)筑

  研究團隊測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)異的浸潤性和較低的啟動壓力（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，通過改變膜上的孔徑大小（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)計和開關(guān)行為控制

  研究表明，磁場強度是主要的結(jié)構(gòu)色顯示影響因素：將磁鐵從遠處（約100 mm，磁場接近零）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、藍色，最終到紫色。同時，粒子濃度也是一個重要因素，它會影響閾值壓力的變化趨勢和顏色的藍移程度。

圖3 MPLG顏色指示機制

  為了直觀演示，研究團隊構(gòu)建了一個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記。當液門呈現(xiàn)棕色（低閾值）時，氣體更容易通過，2分鐘內(nèi)將液滴推動了10厘米。當通過加強磁場將液門調(diào)成紫色（高閾值）時，氣體阻力增大，相同時間內(nèi)液滴僅移動了23.8厘米。

圖4 MPLG應(yīng)用展示。

總結(jié)

  該文開發(fā)了一種磁響應(yīng)光子液門，通過磁場調(diào)控Fe₃O₄膠體納米粒子在尼龍多孔膜內(nèi)的有序排列，實現(xiàn)氣體傳輸開關(guān)閾值的原位可視化監(jiān)測。該系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于磁場可同步調(diào)節(jié)膠體粒子間距，從而動態(tài)改變光子晶體的結(jié)構(gòu)色和界面力學(xué)性質(zhì)：增強磁場使粒子鏈間距減小，導(dǎo)致氣體傳輸開關(guān)閾值壓力（P_ST）升高，同時衍射光波長發(fā)生藍移（如橙色向藍色轉(zhuǎn)變），建立顏色與P_ST的直接對應(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)，可適配不同壓力場景。基于此構(gòu)建的透明氣體閥門裝置，通過磁鐵距離調(diào)控液門顏色，無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、流體控制及智能閥門系統(tǒng)提供了實時、節(jié)能的可視化調(diào)控平臺。

  該研究得到國家自然科學(xué)基金（52025132、U24A20205、52303373、21621091、22021001、22121001、52300138 和 T2241022）、中國博士后科學(xué)基金（2024M761761）、福建省國家科學(xué)基金（2022J02059）、111 項目（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/