納流控與材料科學(xué)的融合為材料研究提供了一個嶄新的舞臺。作為這個領(lǐng)域的探路者，大阪府立大學(xué)許巖教授受邀在近期(2017年11月2日）出版的Advanced Materials網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了對這個領(lǐng)域的鳥瞰、進(jìn)展述評以及展望。
納流控科學(xué)與技術(shù)（Nanofluidics；以下簡稱“納流控”）是研究和應(yīng)用納米通道或納米結(jié)構(gòu)（特征尺寸通常數(shù)納米到數(shù)百納米）中流體特性的一個新興的領(lǐng)域。納流體現(xiàn)象雖然在過去的幾十年里在膜科學(xué)、膠體科學(xué)以及化學(xué)工程等領(lǐng)域偶爾被涉及和討論，但卻從來沒有像現(xiàn)在這樣廣受關(guān)注。這緣于近年納米加工技術(shù)的發(fā)展，使得在玻璃等材質(zhì)的基板上加工結(jié)構(gòu)控制良好的納米通道、納米孔等結(jié)構(gòu)成為可能。這些典型的固體結(jié)構(gòu)構(gòu)成了新型的芯片―納流控芯片―技術(shù)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)，那就是可以與一些現(xiàn)有的化學(xué)、生物、物理等技術(shù)和工具兼容。因此，納流控芯片技術(shù)提供了一種新型的實驗平臺，使得具有不同背景的科學(xué)家可以參與到納流控的研發(fā)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(xiàn)，以可控、可重現(xiàn)、可預(yù)測的方式來探索和應(yīng)用納流體輸送現(xiàn)象和相關(guān)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(rèn)為是從微流控演變而來的領(lǐng)域，但從物理機(jī)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(xiàn)象和機(jī)制(比如，離子輸送的非線性，粘度、介電常數(shù)等水的性質(zhì)的改變等)開始在納米尺度出現(xiàn)，并占據(jù)主導(dǎo)地位（圖2）。這開辟了一個探索流體科學(xué)和應(yīng)用的嶄新天地。
圖2.納流控領(lǐng)域關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象與效應(yīng)，以及相同尺度下代表性的材料和物質(zhì)
近年，雖然這些新的物理現(xiàn)象和機(jī)制被深入研究，但以納流控技術(shù)為核心的重要應(yīng)用卻屈指可數(shù)。與其“風(fēng)華正茂”的“兄弟”微流控相比，納流控領(lǐng)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(yīng)用于微流控和開放體系納米研究的各種技術(shù)和手段很難直接應(yīng)用于納流控領(lǐng)域。加工技術(shù)、流體控制技術(shù)、功能集成技術(shù)以及檢測技術(shù)的缺乏，使得整個納流控領(lǐng)域停滯在單純的“納流”現(xiàn)象的研究階段，而納流控的“控”的精髓無法實現(xiàn)。這些都極大地阻礙著整個納流控領(lǐng)域向著發(fā)揮和實現(xiàn)其潛力以及與其他學(xué)科融合的前進(jìn)步伐。為解決上述關(guān)鍵課題和挑戰(zhàn)，大阪府立大學(xué)許巖教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊近幾年取得多個相關(guān)技術(shù)突破，以獨(dú)特的“Nano-in-Nano集成”方法論，通過在納米通道中創(chuàng)新性地構(gòu)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(shù)，初步實現(xiàn)了納流控的“控”的精髓，為納流控與其他學(xué)科（特別是材料科學(xué)）的融合開拓了道路。
俯瞰整個納流控領(lǐng)域，近10年相關(guān)研究雖然已經(jīng)取得了顯著地進(jìn)展，但是要將現(xiàn)在以揭示物理現(xiàn)象為中心的研發(fā)階段推進(jìn)到未來面向應(yīng)用的研發(fā)階段，仍然需要克服一系列巨大的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)對于具有不同背景的科學(xué)家來說同時也是巨大的機(jī)遇。我們期待材料科學(xué)會在納米加工方面一如既往地繼續(xù)發(fā)揮其關(guān)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(huán)境會為探索材料潛力和創(chuàng)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(nèi)各種獨(dú)特的納流體物理現(xiàn)象和效應(yīng)巧妙地結(jié)合，并同時充分地利用那些與材料性質(zhì)息息相關(guān)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(kuò)散長度、超短傳熱距離等），那么我們就有充分的理由預(yù)測，在這個新舞臺上，我們不但可能開發(fā)出一系列材料合成的嶄新手法，而且還可能實現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)在前所未有的時空分辨率下，對這些納米材料或物質(zhì)（甚至小分子）進(jìn)行“單個的”分離、檢測、操縱、組裝、甚至反應(yīng)。同時，在納米通道中對各種功能性納米材料進(jìn)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(chuàng)建多功能新系統(tǒng)和應(yīng)用方面的能力。
在過去的幾年，包括許巖教授在內(nèi)的多國科學(xué)家已經(jīng)對材料科學(xué)與納流控相結(jié)合進(jìn)行了一些初步的探索。經(jīng)管并不是很多，但足以令人欣喜。作為這個領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了對這方面的鳥瞰、進(jìn)展述評以及展望（Xu Y., Adv. Mater., doi: 10.1002/adma.201702419）。其中，進(jìn)展述評的內(nèi)容涵蓋相關(guān)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(zhì)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(guān)鍵性挑戰(zhàn)以及提供的巨大機(jī)遇也進(jìn)行了討論。在這篇文章最后，許巖教授堅信材料科學(xué)將在未來的納流控發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，并呼吁更多的材料科學(xué)家參與到這個新舞臺。因為如果沒有材料科學(xué)家的參與，上述的那些挑戰(zhàn)將難以解決。
圖3.納流控與材料科學(xué)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(xué)化學(xué)工程系，是該校納流控科學(xué)與技術(shù)實驗室的首席科學(xué)家。本科畢業(yè)于大連理工大學(xué)（2001年），在中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所取得碩士學(xué)位后（2004年），在東京大學(xué)取得博士學(xué)位（2007年）。許巖教授研究小組的研究領(lǐng)域涉及納流控基礎(chǔ)和納流控技術(shù)在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及材料科學(xué)的應(yīng)用，并致力于研發(fā)面向單細(xì)胞組學(xué)，單分子化學(xué)，生物材料以及納米醫(yī)學(xué)的納流控新方法和新技術(shù)。
許巖教授研究室主頁: http://www.chemeng.osakafu-u.ac.jp/group8/index-e.html
