液門結合了固體與液體材料的特性，具有可重構界面、動態響應性和適應性等獨特優勢，展現出在多種實際應用中的巨大潛力。然而，液門面臨的一大挑戰是實時和原位觀察其開關行為，這直接限制了其在不同應用場景中的廣泛適用性。為此，該研究開發了一種磁響應光子液態門，能夠通過動態結構色的變化，實時、原位監測氣體輸運開關閾值。通過在受限磁性膠體懸浮液中調控粒子重新配置，磁場能夠同時調節界面機械特性和衍射光的變化，從而實現氣體輸運開關閾值與液態門顏色狀態之間的直接對應關系。該視覺系統不僅在外觀和功能上能夠響應變化，還能使氣體釋放的實時調控被肉眼清晰感知。此外，這種材料策略具有直接識別、快速預測和簡便操作的特點，為視覺化化學檢測、動態流體控制以及多功能集成系統的實現開辟了新的應用前景。
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，構建磁響應光子液體門（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）減小導致衍射光波長藍移，液門顏色可實現從橙→綠→藍→紫的變化。在壓力驅動下，不同的磁場強度導致膠體顆粒的不同排列及結構色變化，從而引起氣體傳輸開關壓力閾值的變化。由此，建立了顏色狀態與開關壓力閾值之間的一一對應關系。
圖1 磁響應光子液體門（MPLG）的構筑
研究團隊測試了多種微孔膜材料（如尼龍、PVDF、PTFE），最終發現尼龍膜憑借其優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），可以靈活調節壓力閾值的工作范圍（22kPa到91kPa）。
圖2 MPLG系統的穩定性設計和開關行為控制
研究表明，磁場強度是主要的結構色顯示影響因素：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為綠色、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，研究團隊構建了一個透明的氣體閥門系統。在出口管道中放置一滴紅色液滴作為氣體流速的標記。當液門呈現棕色（低閾值）時，氣體更容易通過，2分鐘內將液滴推動了10厘米。當通過加強磁場將液門調成紫色（高閾值）時，氣體阻力增大，相同時間內液滴僅移動了23.8厘米。
圖4 MPLG應用展示。
總結
該文開發了一種磁響應光子液門，通過磁場調控Fe3O4膠體納米粒子在尼龍多孔膜內的有序排列，實現氣體傳輸開關閾值的原位可視化監測。該系統的核心創新在于磁場可同步調節膠體粒子間距，從而動態改變光子晶體的結構色和界面力學性質：增強磁場使粒子鏈間距減小，導致氣體傳輸開關閾值壓力（PST）升高，同時衍射光波長發生藍移（如橙色向藍色轉變），建立顏色與PST的直接對應關系。經黏附功優化，尼龍膜與膠體懸浮液形成穩定體系，結合粒子濃度和膜孔徑的調節，可適配不同壓力場景；诖藰嫿ǖ耐该鳉怏w閥門裝置，通過磁鐵距離調控液門顏色，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聯），為化學檢測、流體控制及智能閥門系統提供了實時、節能的可視化調控平臺。
該研究得到國家自然科學基金（52025132、U24A20205、52303373、21621091、22021001、22121001、52300138 和 T2241022）、中國博士后科學基金（2024M761761）、福建省國家科學基金（2022J02059）、111 項目（B16029、B17027）以及 XPLORER PRIZE 新基石科學基金的支持。
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/
