作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/17 11:40:59
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透明涂层可捕获空气中的气溶胶液滴

 

 3D图像显示了被捕获液滴在涂层上产生的“陨石坑”。图片来源:美国西北大学黄嘉兴课题组

通过重新利用护发素中的常见成分,科学家们设计出了一种廉价、透明的涂层,它可以把窗户和天花板等表面变成胶垫,捕捉空气中的气溶胶液滴。6月16日出版的Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem描述了这种新策略。

美国西北大学材料科学与工程学教授、论文通讯作者黄嘉兴说:“面对新冠肺炎(COVID-19)大流行,我们需要积极利用各种不同层次的防御机制,包括物理屏障。毕竟,这些病毒必须通过物理空间传播,才能到达并最终感染人类。”

COVID-19等呼吸道疾病传播的主要途径是受感染者说话、打喷嚏或呼吸时释放的呼吸道液体。这些含有病毒的液体包括大液滴和细小的气溶胶,它们难以从空气中被控制和去除。在撞击到表面时,气溶胶液滴很容易反弹,重新进入空中。

作为一名材料学家,黄嘉兴希望能以某种方式帮助抗击疫情。他在实验室里召集了几位研究人员,包括于志龙、Murat Kadir,以及另一名留守学生刘毅涵(音译),一起进行头脑风暴。最终,他们想出了将聚丙烯酰胺—己二酸二癸酯(一种常用于护发产品和化妆品中锁水的聚合物)转化为表面涂层的想法。

他们开发的涂层是亲水的,因此可以捕获含有病原体的飞沫,并防止它们从表面反弹。“有很多室内环境的表面几乎不会被碰,比如靠近地板和天花板的部分墙壁。”黄嘉兴说,他们的涂层可能应用在这些地方。

黄嘉兴团队在有机玻璃隔板上涂了一层涂层,并测试了其水滴捕捉能力。研究小组首先在护栏处喷洒由手持面部喷雾器产生的气溶胶蒸气,以模拟说话时释放的气溶胶飞沫。通过分析落在隔板上的液滴,他们可以估计涂层捕获气溶胶的效果。与没有涂层的隔板相比,涂层几乎捕获了所有气溶胶。

接下来,他们在有机玻璃上空喷洒盐水,以模拟咳嗽和打喷嚏时释放的大液滴,发现涂层也大大减少了飞溅的液滴数量。在模拟实验中,从有机玻璃屏障逃逸的液滴数减少了80%。

过去,科学家们设计了主要针对大水滴的捕水剂,用于从沙漠空气中提取水或用于农业。“我们搜索了大量的文献,但没有发现很多捕捉气溶胶液滴的工作。也许在疫情之前,人们对这种气溶胶捕获涂层没有强烈的需要。”黄嘉兴说。

为了使该产品适用于更多类型的表面,该团队在涂层中添加了另一种常见的化妆品成分——APG。他们在混凝土、木材、金属、玻璃和纺织品等材料上进行了测试,这些都是室内空间的典型表面。黄嘉兴说,可以添加更多的成分赋予涂层额外的功能,如铜离子作为消毒剂或色素颗粒用于上色。

虽然涉及人体的实验需要一些监管机构的预先批准,而且超出了研究的范围,但该团队估计了在典型的室内办公环境中,人们大声连续说话时释放的飞沫数量。计算表明,涂层吸收液滴饱和阈值比人们在办公室场景中释放的液滴高7到10个数量级。此外,如果需要,涂层可以很容易地用水擦掉并重新应用。

“在这一概念能被实施之前,当前的疫情可能会结束。”黄嘉兴说,“我们想要的是为未来提升公共卫生能力提供一些科学证据。下一次,当这样的疫情暴发时,我认为我们会有更好的装备。”

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2021.102577

 

 
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