自新冠疫情暴發(fā)以來，口罩已成為個人防護(hù)不可或缺的裝備。目前市面上主流的N95口罩多采用熔噴聚丙烯纖維制成，并依靠靜電吸附效應(yīng)提升過濾效率。然而，這類口罩在潮濕環(huán)境中容易因電荷消散而失效，且使用后難以降解，造成嚴(yán)重的白色污染。盡管基于靜電紡絲技術(shù)、使用可生物降解材料的口罩被視為潛在解決方案，但在實際應(yīng)用中，如何在降低材料用量、提升佩戴舒適度和透明度的同時，保持甚至超越現(xiàn)有口罩的過濾性能，一直是科研人員面臨的重大挑戰(zhàn)。

針對上述問題，福州大學(xué)鐘舜聰教授、廈門大學(xué)鄭高峰教授和加州大學(xué)伯克利分校林立偉教授合作，提出了一種基于玉米醇溶蛋白的高性能口罩制備策略。該研究通過可控的射流分裂電紡工藝，成功制造出由精細(xì)分形納米纖維構(gòu)成的濾膜。這種口罩不僅超越了商用N95口罩的空氣過濾性能，還將重量和厚度各減少了一半。更重要的是，純玉米醇溶蛋白的組分使得口罩使用后可以回收再利用，為個人防護(hù)裝備的可持續(xù)發(fā)展提供了全新思路。相關(guān)論文以“Semi-transparent and eco-friendly face masks for PM0.3 filtration via biomimetic-fractal nanofibers”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

研究團(tuán)隊首先揭示了射流分裂行為的關(guān)鍵機制。他們發(fā)現(xiàn)，與以往認(rèn)為的高電導(dǎo)率導(dǎo)致庫侖爆炸的解釋不同，偶極力的強方向性應(yīng)力集中效應(yīng)才是引發(fā)射流分裂的根本原因。通過對比不同溶劑的玉米醇溶蛋白溶液，研究人員指出，低表面張力是誘導(dǎo)射流分裂的關(guān)鍵因素。實驗中，采用8HAC/2ETOH溶劑的31wt%玉米醇溶蛋白溶液，其表面張力較低，在26kV高壓和25μL/h的低供料速率下成功實現(xiàn)了射流分裂，形成了仿生分形納米纖維（圖1a左側(cè)展示了玉米蛋白的來源，右側(cè)則對比了射流分裂與拉伸兩種行為）。相比之下，具有高電導(dǎo)率的FA/水溶液體系卻未能發(fā)生分裂。這種仿生分形結(jié)構(gòu)類似于自然界中的葉脈，不僅提升了過濾效率，還因材料用量的大幅減少而賦予了薄膜高透明度的特性（圖1b左側(cè)展示了自然界的分形幾何與電紡制備的仿生分形纖維，右側(cè)則示意了偶極力驅(qū)動的射流分裂機制）。

基于此機制制備的玉米醇溶蛋白膜展現(xiàn)出卓越的綜合性能。如圖1c所示，隨著單位面積質(zhì)量從2g/m2降至0.45g/m2，薄膜的透明度顯著提升，甚至可以清晰看見其下方的廈門大學(xué)標(biāo)志。研究團(tuán)隊將這種超輕薄膜（0.45g/m2）組裝成口罩原型，其佩戴效果如圖1d所示。與商用N95口罩相比，這款新型口罩的紅外透過率和水蒸氣透過率均顯著提高（圖1e），這意味著佩戴時呼出的熱量和濕氣能更快地散發(fā)。熱成像圖（圖1f）進(jìn)一步證實，佩戴新型口罩時面部的平均溫度為33.2°C，明顯高于佩戴N95口罩時的29.1°C，極大提升了佩戴舒適度。此外，得益于純玉米醇溶蛋白的組分，廢棄的口罩可以被重新溶解并再次加工成仿生分形納米纖維（圖1g），經(jīng)過五次回收循環(huán)后仍能保持良好的性能。據(jù)統(tǒng)計，2020年至2022年間全球消耗了9000億只口罩，這種回收策略有望在三年內(nèi)節(jié)約近700噸玉米醇溶蛋白原料，減少超過6500噸二氧化碳排放。

圖1：玉米蛋白分形納米纖維的射流分裂形成與特性。 a（左）玉米蛋白是玉米的主要蛋白質(zhì)；（右）靜電紡絲后典型的射流分裂或拉伸行為。b（左）自然界中的分形幾何和通過靜電紡絲工藝制備的仿生分形纖維；（右）偶極取向射流分裂機制。c 在廈門大學(xué)標(biāo)志上方展示的三種面密度分別為2、1和0.45 g/m2的玉米蛋白膜原型。d 基于0.45 g/m2玉米蛋白膜的口罩原型及其佩戴效果。e 不同口罩的紅外透過率和水蒸氣透過率。f 佩戴不同口罩時的紅外圖像。g 基于2020至2022年全球口罩消費統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺陷樣品回收過程及其經(jīng)濟效益。e圖中數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n=5），源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。

為了精確控制射流行為，研究團(tuán)隊對電紡參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。圖2a清晰地展示了，對于31wt%的8HAC/2ETOH溶液，只有在高電壓（26kV）和低供料速率（25μL/h）的條件下才能發(fā)生射流分裂并形成雙峰分布的纖維；降低電壓或提高供料速率則會導(dǎo)致射流轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ɡ鞝顟B(tài)。進(jìn)一步分析表明，溶液的粘度（圖2b）和電導(dǎo)率（圖2c）與射流行為并無一致的關(guān)聯(lián)性，而表面張力則是決定性的分離因素：發(fā)生射流分裂的溶液表面張力均低于37mN/m（圖2d）。例如，使用10HAC作為溶劑時，33wt%的高濃度玉米醇溶蛋白溶液因其表面張力低至34.98mN/m而成功發(fā)生分裂，而27wt%的溶液因表面張力較高（37.62mN/m）則僅能形成普通纖維（圖2e）。如圖2f所示，隨著玉米醇溶蛋白濃度從29wt%增加至33wt%，溶液表面張力逐漸降低，R值（代表射流分裂程度）則顯著增大，纖維直徑分布也呈現(xiàn)明顯的雙峰特征，充分證明了低表面張力對促進(jìn)射流分裂的決定性作用。

圖2：靜電紡絲射流行為與纖維形貌的實驗分析。 a 以8HAC/2ETOH為溶劑的31 wt%玉米蛋白溶液在不同靜電紡絲參數(shù)下的射流行為與纖維形貌。不同射流行為對應(yīng)的靜電紡絲參數(shù)：b 粘度；c 電導(dǎo)率；d 表面張力。e 27 wt%和33 wt%玉米蛋白溶液（10HAC為溶劑）的射流行為與纖維形貌。f 以10HAC為溶劑的29、31和33 wt%玉米蛋白溶液的表面張力，以及相應(yīng)的纖維形貌（比例尺：2 μm）、R值（表示射流分裂程度）和直徑分布（Da表示平均直徑）。b、c、d圖中數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n=5），源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件和補充表2形式提供。f圖中數(shù)據(jù)來自n=200，源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。

為了深入理解背后的流體力學(xué)機理，研究團(tuán)隊進(jìn)行了電動力學(xué)仿真分析。圖3a展示了表面張力對射流行為的顯著影響：當(dāng)表面張力為15mN/m時，射流表面出現(xiàn)復(fù)雜的波動和分散的局部電場，這是發(fā)生分裂的前兆；而當(dāng)表面張力為25或35mN/m時，射流僅保持單一錐尖狀態(tài)。在整個飛行過程中，表面張力為25mN/m的射流始終維持單峰狀態(tài)（圖3b），而表面張力為15mN/m的射流則持續(xù)波動并最終發(fā)生分裂（圖3c）。令人意外的是，提高溶液電導(dǎo)率至500μS/cm（圖3e）甚至2000μS/cm并不能引發(fā)預(yù)期的庫侖爆炸，反而抑制了射流波動，形成單一錐形射流。相反，提高相對介電常數(shù)至60（圖3f）則能在射流表面引發(fā)顯著波動并形成多尖端結(jié)構(gòu)。圖3g和3h對比了偶極力與自由電荷力的作用差異：偶極力作用優(yōu)先且分散，易在液面形成多尖端擾動和更強的應(yīng)力集中，而自由電荷力則傾向于廣泛聚集形成單一尖端，這一發(fā)現(xiàn)從根本上顛覆了對射流分裂機制的傳統(tǒng)認(rèn)知。

圖3：模擬結(jié)果與電流體動力學(xué)行為分析。 a 不同表面張力下的射流行為及作用在其上的靜電力。b 表面張力為25 mN/m時飛行過程中的射流體積分?jǐn)?shù)；c 表面張力為15 mN/m時飛行過程中的射流體積分?jǐn)?shù)。d 不同條件下的射流行為及作用在其上的靜電力：表面張力為15 mN/m，其他條件如補充表3所示，該組作為對照組；e 對照組電導(dǎo)率提高至500 μS/cm；f 對照組相對介電常數(shù)提高至60。偶極力（FD）和自由電荷力（FI）誘導(dǎo)的電流體動力學(xué)行為示意圖：g 界面波動；h 應(yīng)力集中。Fs表示表面張力。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊提出了偶極取向電紡模型，并成功地在其他材料體系中驗證了該機制的普適性。圖4a示意了基于偶極力的射流分裂過程，即各向異性拉伸-撕裂。使用具有強偶極效應(yīng)但電導(dǎo)率極低的ECA和ECB溶液進(jìn)行實驗，結(jié)果如圖4b和4c所示：ECA溶液（中等表面張力）在射流界面先出現(xiàn)M形波動，隨后波動點發(fā)生各向異性拉伸撕裂并形成次級射流；而ECB溶液（更低的表面張力）則因強烈的應(yīng)力集中直接形成標(biāo)準(zhǔn)三角形射流，隨后界面迅速發(fā)生分裂。更重要的是，通過向醋酸纖維素和聚甲基丙烯酸甲酯溶液中加入高偶極矩的茶多酚，研究團(tuán)隊成功誘導(dǎo)了射流分裂（圖4d、4e），即使在原本不利的高表面張力、低電壓、高供料速率條件下也能制備出仿生分形納米纖維。圖4f展示了偶極力對可紡性的影響：表面張力較高的ECA溶液在高電壓下難以變形，處于緊繃但不射流的狀態(tài)；而表面張力較低的ECB溶液則能順利形成射流并發(fā)生分裂。此外，強偶極力還會導(dǎo)致射流呈現(xiàn)平面分布應(yīng)力點，形成寬而平的帶狀纖維（圖4g）。

圖4：射流分裂行為的演化與分析。 a 基于偶極取向的射流分裂過程示意圖，具有各向異性拉伸撕裂射流特征。在26 kV、20 μL/h、15 cm條件下的靜電紡絲過程：b ECA溶液；c ECB溶液。在20 kV、50 μL/h、15 cm條件下的溶液圖像和靜電紡絲結(jié)果：d CA和CA/TP溶液；e PMMA和PMMA/TP溶液。f 在30 kV、20 μL/h、15 cm條件下ECA溶液（實線框）和ECB溶液（虛線框）的靜電紡絲結(jié)果。g 在30 kV、50 μL/h、15 cm條件下PMMA/TP溶液的靜電紡絲結(jié)果。FD和FS分別表示偶極力和表面張力。

最后，研究團(tuán)隊對制備的仿生分形玉米醇溶蛋白膜進(jìn)行了全面的空氣過濾性能測試。圖5a和5b展示了不同單位面積質(zhì)量下的過濾效率、壓降和品質(zhì)因子。當(dāng)單位面積質(zhì)量為0.45g/m2時，過濾效率達(dá)到99.81%，壓降僅為56.2Pa，品質(zhì)因子高達(dá)0.111Pa?1，顯著優(yōu)于N95口罩。在不同氣流速率下（圖5c），玉米醇溶蛋白膜的過濾效率始終保持穩(wěn)定（從99.95%輕微降至99.71%），而N95口罩的核心層則從98.11%顯著下降至95.42%。在不同相對濕度條件下（圖5d），當(dāng)濕度從50%升至90%時，新型口罩的過濾效率幾乎不變（僅從99.81%降至99.76%），而N95口罩則因電荷消散從97.08%驟降至92.98%。在120分鐘的加載測試中（圖5e），玉米醇溶蛋白膜的過濾效率始終保持在99.8%以上，展現(xiàn)了卓越的機械過濾穩(wěn)定性。圖5f和5g解釋了其過濾機理：超細(xì)顆粒在氣流線附近發(fā)生強烈布朗運動，更容易與細(xì)纖維碰撞沉積；而粗顆粒則被膜的孔隙直接攔截，粗細(xì)纖維的組合有效避免了壓降的急劇上升。香煙煙霧測試（圖5h）證實了其在實際應(yīng)用中的有效性。最為重要的是，經(jīng)過五次回收再加工后，該膜的品質(zhì)因子仍能保持在0.1Pa?1以上（圖5i），彰顯了其出色的可持續(xù)應(yīng)用潛力。

圖5：空氣過濾性能測試結(jié)果。 不同面密度玉米蛋白仿生分形納米纖維膜的結(jié)果：a 過濾效率和壓降；b 品質(zhì)因子。不同條件下的空氣過濾效率：c 不同空氣流量；d 不同相對濕度；e 不同測試時間。過濾機理示意圖：f 超細(xì)顆粒；g 粗顆粒。h 過濾前后仿生分形納米纖維膜的纖維形貌。i 多次回收重構(gòu)后玉米蛋白仿生分形納米纖維膜的過濾性能。a、b、c、d、i圖中數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n=5），源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。e圖中數(shù)據(jù)以每分鐘間隔采樣，源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。

總結(jié)而言，這項研究通過揭示偶極力在射流分裂中的主導(dǎo)作用，建立了一種全新的偶極取向電紡模型，成功實現(xiàn)了純玉米醇溶蛋白仿生分形納米纖維的高效制備。所制得的口罩兼具超高過濾效率、優(yōu)異的光學(xué)透明度和佩戴舒適性，且材料可完全回收利用。盡管該研究在皮膚刺激性、生物氣溶膠過濾以及生產(chǎn)效率等方面仍需進(jìn)一步深入探索，但其為開發(fā)下一代高性能、環(huán)保型個人防護(hù)裝備指明了方向，有望在保障公共健康的同時，顯著減輕對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。