2019年的冠狀病毒（COVID-19）影響了210多個(gè)國家和地區(qū)，并且主要通過呼吸道飛沫傳播。在高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，病人、醫(yī)生、甚至普通民眾都普遍使用一次性醫(yī)用口罩。然而，目前的普通外科口罩存在不能自我消毒，重復(fù)使用或回收用于其他用途等問題。為了處理這些用過的口罩，大多數(shù)國家只能使用焚燒法處理此類醫(yī)療廢物。產(chǎn)生的有毒氣體和高碳排放會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境。那么問題來了，新型口罩該如何設(shè)計(jì)？
為此，香港理工大學(xué)李桂君課題組提出了一種獨(dú)特的方法對(duì)市售口罩進(jìn)行功能化處理，使其具有優(yōu)異的自清潔和光熱性能。研究人員采用雙模激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移法，將多層石墨烯沉積到低熔點(diǎn)無紡布口罩上制備得到了—石墨烯口罩。相關(guān)成果以“Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances”發(fā)表在國際頂級(jí)期刊ACS nano。
那么和普通商用口罩相比，石墨烯口罩都有哪些優(yōu)異的性能呢？
1.?自清潔性（表面疏水性）
對(duì)激光轉(zhuǎn)移石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。用掃描電子顯微鏡觀察涂層材料的微觀結(jié)構(gòu)，在纖維表面可以觀察到納米結(jié)構(gòu)的薄片，為了確定這些納米薄片的化學(xué)成分，使用拉曼光譜分析清楚地表明石墨烯的存在。根據(jù)2D峰值的位置和其峰值相對(duì)于D峰值的強(qiáng)度比，可以確定涂層為少層石墨烯。一般商用外科口罩大部分是通過熔噴無紡布聚合物制成的，其熔噴纖維是隨機(jī)分布的。由于缺乏納米結(jié)構(gòu)，這些纖維的表面是光滑的因而缺乏超疏水性能。而石墨烯口罩表面可以觀察水滴自由移動(dòng)，沒有留下任何痕跡。因此，石墨烯涂層優(yōu)異的超疏水性能可以顯著提高飛沫的自清潔性能。
2.?可重復(fù)使用性（自消毒）
普通商用口罩對(duì)太陽光譜的吸收低，尤其是在可見光和近紅外區(qū)域。而石墨烯口罩在300~2500 nm的整個(gè)太陽光譜中顯示超過95％的吸收率。由于COVID-19病毒上的刺突蛋白對(duì)溫度敏感，因此賦予了光熱石墨烯涂層口罩以自滅菌的潛力。實(shí)驗(yàn)表明，普通口罩經(jīng)5分鐘太陽照射后溫度低于45℃。相比之下，石墨烯口罩的表面溫度在太陽照射40 s后迅速升高到70°C以上，在太陽照射100 s后保持在80°C以上，這與石墨烯超強(qiáng)的光熱性能有關(guān)。根據(jù)病毒消毒信息，超過70°C的溫度足以滅活大多數(shù)類型的病毒。
3.?可回收利用性（海水淡化）
當(dāng)病毒從地球上消失后，石墨烯口罩也有很大的潛力被回收用于其他用途。由于其優(yōu)異的光熱性能和多孔結(jié)構(gòu)，可以直接用作太陽能蒸汽發(fā)生器。石墨烯口罩達(dá)到了每小時(shí)1.13公斤/平方米的太陽能蒸汽產(chǎn)生率，雖然該數(shù)值低于最新研究報(bào)道的蒸發(fā)量，但對(duì)于利用太陽能進(jìn)行小規(guī)模的海水淡化來說已經(jīng)足夠，遠(yuǎn)高于原始口罩（僅為0.3公斤/平方米）。同時(shí)，這種石墨烯口罩在海水淡化中表現(xiàn)出了優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和抗鹽功能。當(dāng)蒸發(fā)了10%的鹽水時(shí)，與使用聚酰亞胺薄膜的太陽能蒸汽發(fā)生器相比，石墨烯口罩表現(xiàn)出明顯的更好的抗鹽性能，這是因?yàn)槲⒊叨壤w維中的微孔有助于更好的鹽溶解通道。石墨烯口罩表面無明顯的鹽積累，連續(xù)蒸發(fā)100 h，蒸汽生成速率穩(wěn)定在1公斤/平米以上。這表明石墨烯口罩用于長期海水淡化技術(shù)是可行的。
【總結(jié)】
這種通過雙模激光劃片制造的石墨烯涂層掩模表現(xiàn)出出色的超疏水和光熱性能，也可以用在小型的海水淡化，具有巨大的可重復(fù)使用和可回收的潛力。關(guān)鍵是成本極低，每一個(gè)石墨烯口罩的成本估計(jì)為0.05美元，可以批量生產(chǎn)。因此，這些可重復(fù)使用和可回收的口罩可以提供經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的解決方案，并為抗擊肆虐的COVID-19病毒大流行提供更好的保護(hù)。
參考文獻(xiàn)：
Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances, ?ACS Nano, 2020 ?DOI:10.1021/acsnano.0c02250
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02250
