三維石墨烯口罩：從霧霾到細(xì)菌的阻擊戰(zhàn)

□文/周文俊

全球新冠病毒肺炎疫情爆發(fā)，口罩成為不少人出門首要裝備?？谡秩绾闻宕鞲l(wèi)生、舒適？北京中關(guān)村科學(xué)城北區(qū)的實創(chuàng)科技園區(qū)企業(yè)成功研發(fā)新型石墨烯口罩，可連續(xù)使用超過48小時，是傳統(tǒng)口罩的12倍以上，佩戴48小時后過濾效能僅降低4%。

始于阻擋PM2.5

2012年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署公布的《全球環(huán)境展望5》指出，每年有70萬人死于因臭氧導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)疾病，有近200萬的過早死亡病例與顆粒物污染有關(guān)。2013年10月17日，世界衛(wèi)生組織下屬國際癌癥研究機(jī)構(gòu)發(fā)布報告，首次指認(rèn)大氣污染是致癌元兇。隨著PM2.5對環(huán)境造成不良影響、對人體造成損害逐漸被重視，公眾的防護(hù)意識日益增強(qiáng)。

隨著公眾對呼吸健康意識的增強(qiáng)，口罩市場變得日漸活躍?？谡帜茏钃跤泻ξ镔|(zhì)進(jìn)入佩戴者呼吸道。在呼吸道傳染病流行期間，或在粉塵環(huán)境中作業(yè)時，戴口罩非常重要。

傳統(tǒng)口罩依據(jù)材質(zhì)不同，有棉布口罩、無紡布口罩、高分子材料口罩、活性炭粉濾芯口罩、活性炭纖維氈墊口罩等等。但并非所有口罩都能有效過濾PM2.5，且大部分口罩長時間佩戴后容易感到呼吸不暢、胸口憋悶。

市場上的防霾口罩要么通過縮小孔徑來阻隔PM2.5，要么通過靜電來吸附PM2.5。前者會因孔徑小導(dǎo)致呼吸不暢，后者會因靜電快速消失導(dǎo)致吸附效果急劇變差。隨著天氣轉(zhuǎn)暖，透氣、舒適、環(huán)保的新材料口罩又成熱點。

石墨烯材料的青睞

石墨烯材料加入口罩原材料家族，直面以上兩個問題而來。對人體有害的PM2.5，其當(dāng)量直徑小于等于2.5微米。而近幾年一直倍受業(yè)界追捧的石墨烯材料，孔徑只有PM2.5的八百五十分之一。石墨烯材料具有超大比表面積，3克石墨烯攤開能鋪滿一個足球場，選用石墨烯作為隔離層的口罩如同硬幣一樣薄。

但石墨烯口罩真正的黑科技，在于其使用了最新尖端材料——三維石墨烯。南京大學(xué)王昭群研究組通過“粒子構(gòu)建法”，在石墨烯表面附著貴金屬納米粒子制得三元復(fù)合粒子，再將其在電極表面進(jìn)行規(guī)整堆積，形成電子和介質(zhì)的雙通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在纖維表面組裝該復(fù)合粒子的陣列結(jié)構(gòu)，從而制成高靈敏度的濕度傳感器。

這種三維石墨烯材料的密度低達(dá)1mg/cm3，比表面積高達(dá)1000m2/g，還可以被極限擠壓，最小擠壓成其原始大小的5%，擠壓后能夠恢復(fù)初始形態(tài)。試驗證明，即使經(jīng)過1000次擠壓依然保持完好無損，表明石墨烯微塵脫落問題也不再是個問題。

三維石墨烯在化學(xué)、食品加工和生物學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它就像一個三維多孔的網(wǎng)狀迷宮，將大小不一的顆粒污染物牢牢吸附。

超強(qiáng)顆粒捕獲能力

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所科研團(tuán)隊成功研制出超強(qiáng)功能型三維石墨烯抗菌防霧霾口罩。這是我國科學(xué)家首次將三維石墨烯材料應(yīng)用于防霧霾口罩中，經(jīng)權(quán)威檢測部門檢測，其PM2.5過濾效率高達(dá)99.6%。

三維石墨烯材料具有極佳的有機(jī)體分子、霧霾顆粒捕獲能力，其捕獲率較活性碳同比提高3～5倍，高彈性多級納米結(jié)構(gòu)保證了氣流通過的順暢性。

三維石墨烯口罩的使用性能十分優(yōu)越。首先，超大比表面積能大量吸附空氣中的粉塵、顆粒;其次，其表面的含氧官能團(tuán)能夠快速捕獲空氣中的帶電顆粒，并導(dǎo)出電子使其聚沉；第三，其優(yōu)越的導(dǎo)電特性、量子點負(fù)載可以有效分解空氣中有毒和有味的有害分子；第四，它能像一把鋒利的刀片直接切割破壞細(xì)胞膜，抽取細(xì)胞膜上的磷脂分子，讓細(xì)胞死亡，在負(fù)載銀后抗菌性能會進(jìn)一步增強(qiáng)；第五，能多孔自組裝使得三維石墨烯薄膜具有高透氣性。

通俗來說，三維石墨烯口罩能讓氣體順利“繞道”進(jìn)入呼吸道。由于比表面積大，石墨烯材料吸收霧霾顆粒時效長達(dá)160小時。

買一個石墨烯口罩

得益于石墨烯超薄的特性，三維石墨烯口罩纖薄而透氣。采用低密度、高比剛度、強(qiáng)能量吸收等優(yōu)點的三維石墨烯作為防霧霾阻擋層，解決了口罩防霾不佳和氣流不暢之間難以協(xié)調(diào)的矛盾。

普通的N95口罩的呼吸阻力壓為120Pa左右，而三維石墨烯口罩的呼吸阻力壓只有80Pa左右，兼克長效吸附和呼吸順暢這兩個痛點。

新冠病毒肺炎疫情爆發(fā)后，石墨烯口罩市場蠢蠢欲動。早在今年2月份，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院及其合作單位常州碳星科技公司，就生產(chǎn)了40萬只石墨烯基口罩以最快速度直接發(fā)往武漢。這款口罩通過將石墨烯復(fù)合物溶液噴涂于過濾網(wǎng)上，有效去除(干、濕)空氣中的粉塵及PM2.5。

今年3月份，專注于航空發(fā)動機(jī)材料研發(fā)的中國航發(fā)航材院，僅花25天時間就完成了從石墨烯熔噴布材料的設(shè)計研究到批量生產(chǎn)，目前可日產(chǎn)20萬只口罩交付使用。