科研成果
RESEARCH
想象你面前有一张用肉眼看不见的网。
这不是普通的网，更像是一道“电场防护墙”，你的每一次呼吸，网上的纳米线尖端都会产生极高的局部电场，病菌一旦与其触碰便彻底瘫痪，再无害人之力。这样一张神奇的网，真的存在吗？
厦门大学马来西亚分校的沈茂嶝（Sim Moh Terng）和他的伙伴们，用三年的时间告诉你：它不仅存在，而且可以藏在你佩戴的口罩里。
口罩示意图
沈茂嶝是新能源科学与工程专业2021/06级硕士生。近日，在颜威权博士（Dr. Gan Wee Chen）、陈瑞添博士（Dr. Tan Swee Tiam）的指导下，他的研究成果以 “Instant Disinfecting Face Masks Utilizing Electroporation Powered by Respiration-Driven Triboelectric Nanogenerators 呼吸驱动摩擦纳米发电机集成电穿孔即灭菌口罩” 为题，在SCI期刊Advanced Functional Materials（AFM）发表。
这款口罩结合了纳米摩擦发电和电穿孔灭菌技术，实现了无外部电源支持的高效消毒，为个人防护设备提供了一种全新、自驱动的解决方案。
普通的口罩就像一道基础防线，病菌被挡在过滤层里，但仍有可能趁机繁衍。相比之下，这款呼吸驱动的瞬时消毒口罩，简直像一位身怀绝技的“武林高手”，每一次出招都精准、迅速，将病毒扼杀在繁衍之前。它的核心秘诀，就是“呼吸发电”。
呼吸还能发电？是的，沈茂嶝给出了肯定的答案，这背后的原理是摩擦电效应。每次吸气或呼气，空气流动都能推动口罩内部的薄膜接触与分离。这一系列动作就像两只手快速摩擦，通过摩擦生电的原理，产生足够的电能。
呼吸驱动发电听起来像是科幻小说的情节，但沈茂嶝的解释让一切变得简单而直观。他设计了一种弧形薄膜结构，呼吸时的气流推动薄膜接触和分离，通过摩擦电效应产生高达上百伏的电压。这些电压被传输到过滤层，再通过避雷针效应在其表面的纳米线尖端产生极高的局部电场。
电场一旦形成，过滤层中的纳米线尖端便像一群纳米型“剑客”，以电穿孔的方式直接击穿病菌的细胞膜，使其无法修复。这种“电穿孔”就像用针扎破气球，简单、迅速、高效。
“这种自驱动口罩利用人类呼吸的能量持续清除病原体，而无需外部充电设备，”沈茂嶝介绍，“它能够为医护人员带来高效的防护，以创新且实用的方式提升公共卫生水平。”
电穿孔消毒示意图
新技术总因时代需求而诞生，这项技术的灵感正是几年前的新冠疫情。
2021年的马来西亚，新冠疫情肆虐，前线医护人员超负荷工作，“防疫”成了每个人的重中之重。
当时，大四的沈茂嶝刚完成毕业设计，决定跟随颜威权博士进行摩擦电纳米发电机的研究，正在寻找一个更具应用性的项目作为硕士课题。看到人们每天戴着口罩，他就想，既然摩擦电纳米发电机能产生较高的电压，是不是可以利用说话或者呼吸驱动材料间的摩擦取电，制作一款能自己消毒的口罩呢？
通过文献查阅，沈茂嶝发现，彼时已有研究团队研发出了自消毒口罩，但要么消毒时间长达2-4个小时，要么需要外接电源，不仅麻烦，还有交叉感染的风险。相比之下，纳米线电穿孔能够实现即时消毒的效果，且已在水消毒领域得到应用。于是，在导师的支持下，沈茂嶝与同伴们开始了长达三年的口罩设计之旅。
摩擦生电是整个实验的第一步，也是最关键的一步。PVA（聚乙烯醇）和PVDF（聚偏二氟乙烯）材料易于生电，柔韧耐久，两层膜相互配对，组成了发电的核心组件。在呼吸的作用下，口罩中的两层膜不断摩擦，产生电压。为了最大程度地提升接触面积和输出电压，沈茂嶝还从隔壁实验室借来3D打印机，改造了静电纺丝滚筒收集器，将薄膜制作成穹顶形。
沈茂嶝至今还记得第一次发电成功的画面：“一开始我想，能有1伏的电就好了，没想到当设备开始驱动之后，仪器上的数值慢慢变高，有好几十伏，当时真的特别开心。”
通过反复测试确定好参数的穹顶膜，加上比头发丝细百倍的铜氢氧化物纳米线过滤层，便完成了设计的大部分内容。使用这款设备，普通人持续、平稳的呼吸便能产生120伏特上下的电压，足以驱动过滤装备。
不同频率下的电输出示意图
接下来，便是让设备与病菌“短兵相接”的测试环节了。
枯草芽孢杆菌是他们选择的测试对象。这种菌有着坚硬的芽孢结构，能够抵抗高温、紫外线和大多数化学物质，比许多常见病原体更难杀灭。研究团队相信，如果口罩能高效杀灭枯草芽孢杆菌，那么，面对其他致病微生物时，它也有能力高效杀菌。
为了验证效果，他们设计了三种实验模式：无纳米线过滤层，无呼吸驱动产生的电压；只有纳米线过滤层，无呼吸驱动产生的电压；有纳米线过滤层，有呼吸驱动产生的电压。
显而易见，第三种模式杀菌效果最佳。经过在不同温度和湿度下的多次测试和调整，最终，团队成功实现了>99.9%的杀菌率，并通过荧光显微镜和电镜观察确认了细胞膜已被彻底损伤。口罩不仅能捕获病原体，还能通过呼吸发电主动消灭它们，即使在长时间使用后依然保持过滤的高效性。
这个仅有60余克的口罩，和一块巧克力重量相仿，却能高效守护一个人的呼吸健康。
消毒性能示意图
尽管这项技术目前还停留在实验室阶段，但它的潜力不可小觑。
研究团队希望未来能将之推广到医疗、工业及环保领域，为不同环境中的自驱动呼吸防护提供支持。
不过，这一自驱动口罩离大规模商业化生产还有很长的路要走。比如，如何提高材料安全性能并降低成本？如何进一步提高口罩的耐用性？这些问题都需要一步步攻克。
但是，科研的魅力，就在于它的无限可能。
团队成员合影。前排：余祉褮Ee Zhi Yin，沈茂嶝Sim Moh Terng，谢迪晟Sia Tee Sheng；后排：陈瑞添博士Dr. Tan Swee Tiam，颜威全博士Dr. Gan Wee Chen
内容 / 能源与化工学院 科研与研究生中心 王怡然
编辑 / 王怡然
