病原空氣凈化已成為感染防控的重要組成部分?，F(xiàn)有的空氣過濾器大多難以同時(shí)達(dá)到優(yōu)良的空氣過濾性能和有效滅活空氣中的病原體。最近，東華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種自下而上的方法，通過結(jié)合電紡二氧化硅納米纖維、細(xì)菌纖維素納米纖維和疏水性 Si-O-Si 彈性粘合劑，構(gòu)建具有可再生抗菌性能的籠狀結(jié)構(gòu)超柔性納米纖維氣凝膠（CSA）。
圖1 a) 顯示 CSA 制造的插圖。b)氣凝膠表面斥水的動(dòng)態(tài)測量光學(xué)照片。c)氣凝膠的可折疊特性。d)一張光學(xué)照片，顯示人的頭發(fā)支撐著氣凝膠（密度為 0.28 mg cm-3）而沒有變形。e)大尺度二氧化硅納米纖維膜和尺寸約為 30 cm × 40 cm × 1 cm 的氣凝膠的光學(xué)照片。f-i) 不同放大倍數(shù)下制備的氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。
圖2 a)氣凝膠籠狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。b) 作用在 BC 納米纖維上的力的圖示。c)BC 分子模型和代表性 d) Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)模型的理論上優(yōu)化的幾何形狀和平衡校正的相互作用能。e-h) 分別來自 0、10、20 和 30 wt% 的各種 BC 含量的籠狀結(jié)構(gòu)氣凝膠的 SEM 圖像。i) 具有不同 BC 納米纖維含量的 CSA 的孔徑分布。j)來自不同 BC 含量的氣凝膠的 PM0.3 去除效率和壓降。k) 空氣過濾過程中 CSA-0 和 CSA-20 的模擬氣流壓力場。
以下 N-鹵胺化合物的有效接枝賦予 CSA 殺菌功能。由此產(chǎn)生的氣凝膠具有高孔隙率、疏水性、超彈性、可折疊性、可再生氯化能力 (>5400 ppm)、對(duì) PM0.3 的高過濾性能 (>99.97%, 189 Pa) 以及優(yōu)異的抗菌和抗病毒活性 (6 log 5 分鐘內(nèi)減少），使氣凝膠能夠攔截和滅活空氣中的致病污染物。CSA的成功合成為設(shè)計(jì)用于公共衛(wèi)生保護(hù)的高性能空氣過濾材料提供了新的可能性。
圖3 a) 具有各種最大應(yīng)變的 CSA 的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線。b) 50% 應(yīng)變下 1000 次循環(huán)壓縮。c)作為測試循環(huán)函數(shù)的最大應(yīng)力、楊氏模量和能量損失系數(shù)。d) 氣凝膠的粘彈性。e)所選低密度蜂窩材料的楊氏模量 (E/Es) 和密度 (ρ/ρs) 之間的關(guān)系。f)作為壓縮循環(huán)函數(shù)的儲(chǔ)能模量、損耗模量和阻尼比。g）具有各種最大屈曲應(yīng)變的氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。h) 1000 次循環(huán)屈曲實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變?yōu)?100%。i) 氣凝膠在 100000 次循環(huán)屈曲循環(huán)中的儲(chǔ)能模量、損耗模量和阻尼比。
圖4 a) 顯示氣凝膠的空氣過濾程序的插圖。b)10 次循環(huán)氯化實(shí)驗(yàn)中氣凝膠的活性氯含量。c)分別在 0 和 2000 年 COD 條件下制備的 CSA 和 CSA-Cl 對(duì)大腸桿菌的殺菌動(dòng)力學(xué)。d)針對(duì) CSA 和 CSA-Cl 的噬菌體的殺生物試驗(yàn)。e)CSA-Cl 的可再生抗菌和抗病毒特性。f)含病毒的氣溶膠發(fā)生器和使用氣凝膠和3M 過濾器的抗病毒測試。g,h)選定的三個(gè)過濾器區(qū)域的抗病毒特性。
相關(guān)論文以題為Tailoring Nanonets-Engineered Superflexible Nanofibrous Aerogels with Hierarchical Cage-Like Architecture Enables Renewable Antimicrobial Air Filtration發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者是東華大學(xué)斯陽特聘研究員，和丁彬教授。
