新型「連接的三維多面體框架」技術 實現可編程流體精密控制

人類社會的進步依賴於各種控制液體的技術。準確捕捉和釋放各種化學和生物流體在許多領域中發揮著重要作用。能夠在空間和時間上精確控制液體的可切換捕捉和釋放能力，並且精確控制液體的體積，向來是一大挑戰。理大的研究人員最近便發明了一種精妙的新方法。

理大潘樂淘慈善基金智慧及可持續發展能源教授、機械工程學系熱流體與能源工程講座教授王立秋教授帶領團隊研發出獨特的超超材料，實現了可逆的捕獲和釋放準確容量液體，並精準地控制液體三維空間分佈的技術。這項突破名為「連接的三維多面體框架」（connected polyhedral frames，簡稱CPF），是一個新型平台，以杆連接的毛細尺度三維框架網絡，浸進液體提出到空氣後可以發揮可編程、定點、可逆地捕獲和釋放液體的作用。此研究成果最近已發表在《自然化學工程》期刊，論文第一作者為機械工程學系助理教授（研究）張藝媛博士。

在這套系統中，控制液體的關鍵源於CPF充當可切換「捕獲器」和「釋放器」，讓網絡中的液體可以按需要保留和排走。部分CPF由單杆連接不提供液體排放通道，能捕捉液體，充當「捕獲器」。而其他連接設置為雙杆式，可釋放液體，為「釋放器」。這是因為當框架網絡從液體中提出後，雙杆連接處有液膜形成，在框與框之間形成通道，促成液體釋放。

運用不同技術來產生或破壞液體連續性，捕獲器和釋放器可以相互轉換。多種多樣的液體均可以透過精準控制在CPF陣列內操縱，輕鬆地實現可編程的三維流體圖案化。由於平台中的液體可以是水、油、水凝膠、聚合物、生物流體等，所以各種生物材料和化學品都可以與 CPF 相容。

王教授的團隊設計了一種用於運載維生素B2和B12的CPF框架，用來示範技術具備應用於可控多藥釋放的潛力。兩種維生素用來代表假設的藥物分子，分別封裝於海藻酸鈉水凝膠和結冷膠中，在水溶液中釋放。透過改變凝膠膜的厚度，兩種「藥物」的相對釋放速率便可精準可控改變。

CPF的運作原理有別於拭子一類傳統採樣技術，可建立直接的液體—液體界面接觸，實現超高的樣品釋放效率。這些優點在一項模擬醫學實驗中得到證實：使用CPF進行流感病毒採樣時，即使在非常低的濃度下CPF也可以把病毒檢測出來，而使用棉花棒無法檢測經稀釋的病毒。

王教授的團隊展示了CPF也可用於細菌封裝領域。研究團隊利用CPF封裝產乙酸菌，可極大提高產乙酸菌的使用效率，並大幅簡化乙酸產物的分離流程。可以想像，CPF也能應用於高效生產其他有價值的產品中。

除了醫學和微生物應用，團隊還示範了CPF可應用於空氣調節。他們利用已浸濕的CPF陣列作為原型加濕器，在吸入乾燥空氣和通過含水框架後，能排出更濕潤的空氣。CPF吸收氣體的能力也可用於捕捉二氧化碳，在二氧化碳儲存或碳封存上發揮實用。

CPF的捕獲／釋放液體功能，不依賴框架的結構、組成材料、和所處理的液體，因此CPF是一種創新型超超材料，實現了「竹籃子精確可控打水」的功能，可用於組織工程學、藥物篩選和多材料製造等眾多領域。