自新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，口罩已成為個(gè)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(guò)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(shí)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(shí)，保持甚至超越現(xiàn)有口罩的過(guò)濾性能，一直是科研人員面臨的重大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)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(guò)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(guò)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(gè)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(duì)首先揭示了射流分裂行為的關(guān)鍵機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，與以往認(rèn)為的高電導(dǎo)率導(dǎo)致庫(kù)侖爆炸的解釋不同，偶極力的強(qiáng)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(guò)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(lái)源，右側(cè)則對(duì)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(guò)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(dòng)的射流分裂機(jī)制）。

基于此機(jī)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(jiàn)其下方的廈門大學(xué)標(biāo)志。研究團(tuán)隊(duì)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(guò)率和水蒸氣透過(guò)率均顯著提高（圖1e），這意味著佩戴時(shí)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(shí)，佩戴新型口罩時(shí)面部的平均溫度為33.2°C，明顯高于佩戴N95口罩時(shí)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(guò)五次回收循環(huán)后仍能保持良好的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guò)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(guò)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(jī)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(guò)率和水蒸氣透過(guò)率。f 佩戴不同口罩時(shí)的紅外圖像。g 基于2020至2022年全球口罩消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺陷樣品回收過(guò)程及其經(jīng)濟(jì)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(duì)對(duì)電紡參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。圖2a清晰地展示了，對(duì)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(huì)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(wú)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(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(bǔ)充表2形式提供。f圖中數(shù)據(jù)來(lái)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(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了電動(dòng)力學(xué)仿真分析。圖3a展示了表面張力對(duì)射流行為的顯著影響：當(dāng)表面張力為15mN/m時(shí)，射流表面出現(xiàn)復(fù)雜的波動(dòng)和分散的局部電場(chǎng)，這是發(fā)生分裂的前兆；而當(dāng)表面張力為25或35mN/m時(shí)，射流僅保持單一錐尖狀態(tài)。在整個(gè)飛行過(guò)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(dòng)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(kù)侖爆炸，反而抑制了射流波動(dòng)，形成單一錐形射流。相反，提高相對(duì)介電常數(shù)至60（圖3f）則能在射流表面引發(fā)顯著波動(dòng)并形成多尖端結(jié)構(gòu)。圖3g和3h對(duì)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(dòng)和更強(qiáng)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(duì)射流分裂機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知。

圖3：模擬結(jié)果與電流體動(dòng)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(shí)飛行過(guò)程中的射流體積分?jǐn)?shù)；c 表面張力為15 mN/m時(shí)飛行過(guò)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(bǔ)充表3所示，該組作為對(duì)照組；e 對(duì)照組電導(dǎo)率提高至500 μS/cm；f 對(duì)照組相對(duì)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(dòng)力學(xué)行為示意圖：g 界面波動(dòng)；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(duì)提出了偶極取向電紡模型，并成功地在其他材料體系中驗(yàn)證了該機(jī)制的普適性。圖4a示意了基于偶極力的射流分裂過(guò)程，即各向異性拉伸-撕裂。使用具有強(qiáng)偶極效應(yīng)但電導(dǎo)率極低的ECA和ECB溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(dòng)，隨后波動(dòng)點(diǎn)發(fā)生各向異性拉伸撕裂并形成次級(jí)射流；而ECB溶液（更低的表面張力）則因強(qiáng)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(guò)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(duì)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(duì)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(qiáng)偶極力還會(huì)導(dǎo)致射流呈現(xiàn)平面分布應(yīng)力點(diǎn)，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(guò)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(guò)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(shí)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(duì)對(duì)制備的仿生分形玉米醇溶蛋白膜進(jìn)行了全面的空氣過(guò)濾性能測(cè)試。圖5a和5b展示了不同單位面積質(zhì)量下的過(guò)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(shí)，過(guò)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(guò)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(duì)濕度條件下（圖5d），當(dāng)濕度從50%升至90%時(shí)，新型口罩的過(guò)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(cè)試中（圖5e），玉米醇溶蛋白膜的過(guò)濾效率始終保持在99.8%以上，展現(xiàn)了卓越的機(jī)械過(guò)濾穩(wěn)定性。圖5f和5g解釋了其過(guò)濾機(jī)理：超細(xì)顆粒在氣流線附近發(fā)生強(qiáng)烈布朗運(yùn)動(dòng)，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(cè)試（圖5h）證實(shí)了其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。最為重要的是，經(jīng)過(guò)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(guò)濾性能測(cè)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(guò)濾效率和壓降；b 品質(zhì)因子。不同條件下的空氣過(guò)濾效率：c 不同空氣流量；d 不同相對(duì)濕度；e 不同測(cè)試時(shí)間。過(guò)濾機(jī)理示意圖：f 超細(xì)顆粒；g 粗顆粒。h 過(guò)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(guò)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(xiàng)研究通過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)下一代高性能、環(huán)保型個(gè)人防護(hù)裝備指明了方向，有望在保障公共健康的同時(shí)，顯著減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。