原書(shū)前言

毫無(wú)疑問(wèn)，人類是具有最佳感知能力的有機(jī)體，因?yàn)槿耸亲顝?fù)雜的熱、冷、聲音、光和氣味的受體系統(tǒng)。實(shí)際上，在人體中，物理或化學(xué)藥劑是通過(guò)生物膜傳導(dǎo)到人體的，同時(shí)電信號(hào)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到大腦，大腦再神奇地將每一個(gè)響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)感知活動(dòng)。
基于這種認(rèn)知，在過(guò)去幾年，許多科學(xué)家都在試圖重現(xiàn)人工感知系統(tǒng)，試圖模仿自然的結(jié)構(gòu)和過(guò)程。盡管完成這項(xiàng)任務(wù)似乎異常艱巨，但許多努力和嘗試都仍在這個(gè)方向上進(jìn)行，以推進(jìn)從感知到感知反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。今天，我們所追求的總目標(biāo)又向前推進(jìn)了一步，所期望的目標(biāo)是建立一個(gè)超智能的系統(tǒng)。在這種超智能系統(tǒng)中，感知、行動(dòng)和適應(yīng)的功能有序地集成在一起。在這一架構(gòu)中，膜可以在復(fù)雜陣列的構(gòu)建中發(fā)揮關(guān)鍵性的作用，互補(bǔ)的智能功能可以被分布和集成在其中。事實(shí)上，在膜上進(jìn)行的分子操作可以在不同尺度上對(duì)所需的特性進(jìn)行有效的量身定制，從而為物質(zhì)的存儲(chǔ)、釋放、分離，以及化學(xué)反應(yīng)、能量/質(zhì)量的傳輸提供受約束的功能性空間和幾何形態(tài)，同時(shí)也可用于受保護(hù)的/微氣候調(diào)節(jié)、清潔、分子尺度的流體流、受控的細(xì)胞生長(zhǎng)以及用于生物過(guò)程甄別的高通量篩選等。
正是在這樣的背景下，本書(shū)簡(jiǎn)要介紹了膜和傳感器的概念。前者是一種半滲透的表面，它能夠使不同種類的分子有選擇地通過(guò)，同時(shí)對(duì)其他種類進(jìn)行阻斷。后者是一種能夠檢測(cè)物理、化學(xué)或電反應(yīng)的器件，通過(guò)傳感器將這些待檢測(cè)量轉(zhuǎn)換成由人眼直接感知或在儀器上進(jìn)行測(cè)量的信號(hào)。因此，當(dāng)檢測(cè)功能與自適應(yīng)傳輸結(jié)合在一起時(shí)，膜就會(huì)像一種超智能系統(tǒng)。通過(guò)這種方式，膜會(huì)使其自身主動(dòng)適應(yīng)周?chē)�的環(huán)境，調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，從而調(diào)節(jié)質(zhì)量/能量流和/或傳輸信號(hào)/信息，從而對(duì)外部物理和/或化學(xué)的輸入做出響應(yīng)。
從這個(gè)角度來(lái)看，自適應(yīng)膜有望加速智能系統(tǒng)到超智能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，并為許多尖端技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)巨大的好處，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、微流體、藥物的靶向釋放、生物分離、紡織、清潔發(fā)電、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品食品安全、化妝品、建筑、汽車(chē)等。如果考慮到膜技術(shù)的模塊化可伸縮性，膜傳感器的使用將會(huì)變得更具吸引力。在集成工廠的設(shè)計(jì)以及微型化器件的制造過(guò)程中，開(kāi)發(fā)基于智能膜的系統(tǒng)有更廣泛的潛力，并會(huì)使得分子對(duì)象可以在一個(gè)芯片上得到檢測(cè)和響應(yīng)。
在文獻(xiàn)方面，盡管已出現(xiàn)了大量有關(guān)傳感材料或膜分離的出版物，但是這些出版物中很少有專門(mén)針對(duì)膜類傳感器的論述。本書(shū)的目的就是將這兩個(gè)概念結(jié)合在一起，以催化互補(bǔ)學(xué)科之間的整合進(jìn)程，分享這一問(wèn)題的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并建立一種相互交流的平臺(tái)，以吸引世界上許許多多的智能科學(xué)和技術(shù)的研究人員、探索人員和最終用戶。
本書(shū)包含了工作在傳感材料和膜領(lǐng)域的科學(xué)家們深刻的見(jiàn)解。它涵蓋了多個(gè)方面，包括材料的選擇、用于構(gòu)建具有按需進(jìn)行質(zhì)量和能源傳輸功能響應(yīng)性膜和表面的技術(shù)，以及適用于分子尺度事件的監(jiān)測(cè)技術(shù)。所有這些內(nèi)容都將對(duì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用所需的多功能對(duì)象的智能性產(chǎn)生重要影響。
本書(shū)的第1部分共包括三章內(nèi)容，介紹了一些用于薄膜的傳感材料，如碳納米管、離子液、光響應(yīng)水凝膠，自組裝脂類、聚合物、構(gòu)建選擇性滲透膜的小微粒，以及具有用作亞微米反應(yīng)器、催化劑和藥物運(yùn)載工具能力的囊泡結(jié)構(gòu)等。
第2部分致力于分子間相互作用的介紹。正是這種相互作用導(dǎo)致了膜表面的自我調(diào)整以及幾何形態(tài)、化學(xué)特性和電荷的恢復(fù)，從而能夠抵御外部環(huán)境的侵襲，實(shí)現(xiàn)原始性質(zhì)的保持，還能夠?qū)崿F(xiàn)自主分子擴(kuò)散和直接的生物分子識(shí)別。除此之外，還從理論和實(shí)驗(yàn)的角度討論了主導(dǎo)自組裝材料和超分子結(jié)構(gòu)之間的弱相關(guān)作用。
第3部分介紹了用于控制藥物釋放和生物分離的分子識(shí)別機(jī)制。在概述了用作生物傳感器平臺(tái)的自組裝納米多孔膜的基礎(chǔ)上，對(duì)支承識(shí)別載體的膜的制造及其在生物分離過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了專門(mén)和廣泛的討論。此外，還研究了介孔二氧化硅納米粒子、沸石、分子印跡膜、仿生親和膜以及含有環(huán)糊精及其衍生物的膜的響應(yīng)活性。
第4部分介紹了四種先進(jìn)傳感器類膜的應(yīng)用。一種是用于超靈敏傳感器構(gòu)建的靜電紡絲膜，它有利于分析物的吸附以及質(zhì)量和電荷的傳輸;另一種為三維傳導(dǎo)性支架，使得我們能夠?qū)��?xì)胞的行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠進(jìn)行慢性病模型的研究，并進(jìn)行多次給藥的重復(fù)性實(shí)驗(yàn);第三種是通過(guò)膜的乳化作用制備的感測(cè)粒子，它們具有活性物質(zhì)的傳輸能力和/或?qū)⒒瘜W(xué)和生化信號(hào)轉(zhuǎn)換為光、電、熱和機(jī)械信號(hào)的能力;最后一種是用于超智能織物的自適應(yīng)膜，它可通過(guò)熱存儲(chǔ)、熱調(diào)節(jié)、模塊化的透氣性、保護(hù)、自清潔、異味捕獲、藥物傳遞以及電信號(hào)傳輸?shù)确绞�，提供自維護(hù)、適應(yīng)性、自動(dòng)調(diào)整和長(zhǎng)距離通信等功能。
我很高興主編了本書(shū)，非常感謝每個(gè)貢獻(xiàn)者的奉獻(xiàn)和合作。如果沒(méi)有他們對(duì)知識(shí)的熱情分享、熱忱的態(tài)度和時(shí)間的奉獻(xiàn)，本書(shū)就不可能完成。我希望大家都能從閱讀本書(shū)的過(guò)程中有所收獲，并通過(guò)多學(xué)科交叉的討論，把創(chuàng)新帶到自己的研究中去。
Annarosa Gugliuzza