材料科学：調節可能な多相選択性と防汚挙動を示す液体ベースのゲーティング機構
Nature 519, 7541 doi: 10.1038/nature14253
生物は、複雑な環境間での流体、蒸気、固体の移動を制御する門番役として、マイクロメートルサイズやナノメートルサイズの細孔を大いに活用している。こうした細孔は、微妙なきっかけで高選択的に目詰りすることなく多相輸送を調節できることから、流体処理から3D印刷やラボ・オン・チップシステムに至るさまざまな用途向けとして、ゲーティング（ゲート開閉）機構を持つ合成細孔への関心を呼び起こしてきた。特定のゲーティング挙動と輸送挙動は、細孔表面の化学的性質と細孔形状を精密に調整することによって実現されている。しかし、複雑な選択的多相輸送を制御できる単一系は、なかなか実現しそうになく、しかも汚染がほぼ不可避である。今回我々は、可逆的で再構成可能なゲートとして、毛細管現象で安定化した液体を用いるゲーティング機構を提示する。このゲートは、閉鎖状態のとき細孔が液体で充填封止され、開口状態のとき細孔内壁が薄い液体層で被覆されて防汚性を示す。理論モデリングと実験によって、それぞれの輸送物質ごとに、細孔を開くのに必要な圧力であるゲーティングしきい値を広い圧力範囲にわたって合理的に調節できることが実証された。これにより、1つの系で、さまざまな液体や気体について異なる応答プロファイルを実現でき、気体を逃がさないようにしながら液体を通過させることも可能になる。こうした機能のおかげで、マイクロ流体流中で気体と液体の選別を動的に調整でき、空気–水–油の三相混合物も分離できる。このとき、液体被覆によって防汚性が維持される。今回の液体ゲーティング方式は、高い効率で長期動作を可能にし、さまざまな細孔構造や膜材料に、また微視的スケールと巨視的スケールの流体系に応用できるので、さまざまな応用分野で役に立つと考えられる。
