研究人员开发了抗菌石墨烯面罩

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城大研发抗菌石墨烯口罩

口罩已成为对抗COVID-19大流行的重要工具。但是,不当使用或丢弃口罩可能会导致“二次透射”。香港城市大学(CityU)的一个研究小组已成功生产出具有80%抗菌效率的石墨烯面膜,如果暴露在阳光下约10分钟,其抗菌效率可提高到几乎100%。初步测试还显示出在两种冠状病毒失活方面非常有希望的结果。石墨烯掩模容易以低成本生产,并且可以帮助解决原材料采购和处置不可生物降解的掩模的问题。

这项研究由城大化学系助理教授叶如泉博士与其他研究人员合作进行。研究结果发表在科学期刊ACS Nano上,标题为“在激光诱导的石墨烯掩模上进行自我报告和光热增强的快速细菌杀灭”。

常用的手术口罩不是抗菌的。当人们触摸用过的口罩的污染表面或不当丢弃它们时,这可能会导致细菌感染继发性传播的风险。而且,用作细菌过滤器的熔喷织物由于难以分解而对环境造成影响。因此,科学家一直在寻找制造口罩的替代材料。

通过激光将其他材料转化为石墨烯

叶博士一直在研究利用激光诱导的石墨烯开发可持续能源。当他学习博士学位时。几年前,在赖斯大学(Rice University)获得博士学位后,他参加的研究团队在其主管的带领下发现了一种简便的生产石墨烯的方法。他们发现,使用商业CO 2红外激光系统在含碳聚酰亚胺薄膜(具有高热稳定性的聚合物塑料材料)上直接书写可生成3-D多孔石墨烯。激光改变了原料的结构,因此产生了石墨烯。这就是为什么它被命名为激光诱导的石墨烯。

石墨烯以其抗菌特性而闻名,因此早在去年9月,即COVID-19爆发之前,就已经产生了用激光诱导的石墨烯生产性能优异的口罩的想法。然后,他与香港科技大学,南开大学和其他组织的研究人员合作,启动了这项研究。

叶博士的团队使用CO 2红外激光系统生成石墨烯。实验结果表明,他们生产的石墨烯比活性碳纤维和熔喷织物具有更好的抗菌效果。

优异的抗菌效率

该研究小组用大肠杆菌测试了其激光诱导的石墨烯,并获得了约82%的高抗菌效率。相比之下,口罩中常用的活性炭纤维和熔喷织物的抗菌效率分别仅为2%和9%。实验结果还显示,即使在8小时后,沉积在其上的大肠杆菌中仍有90%以上仍存活,而在石墨烯表面沉积的大多数大肠杆菌在8小时后已死亡。此外,激光诱导的石墨烯对雾化细菌表现出优异的抗菌能力。

叶博士说,需要进一步研究石墨烯的杀细菌特性的确切机理。但他认为,这可能与石墨烯尖锐边缘对细菌细胞膜的损害有关。细菌可能会因石墨烯的疏水(拒水)特性引起的脱水而被杀死。

先前的研究表明,COVID-19在高温下会失去感染力。因此,该团队进行了实验,以测试石墨烯的光热效应(吸收光后产生热量)是否可以增强抗菌作用。结果表明,在阳光下10分钟内,石墨烯材料的抗菌效率可以提高到99.998%,而活性炭纤维和熔喷织物的抗菌效率分别仅为67%和85%。

该小组目前正在与中国大陆的实验室合作,用两种人类冠状病毒对石墨烯材料进行测试。初步测试表明,它在阳光下五分钟内灭活了90%以上的病毒,在10分钟内灭活了近100%。该小组计划稍后对COVID-19病毒进行测试。

他们的下一步是进一步提高防病毒效率并开发可重复使用的面具策略。他们希望在为面罩设计最佳结构并获得认证后不久将其投放市场。

该团队制造了一个湿电发生器,以测量用户通过石墨烯面罩呼吸时水分感应电压的变化。

叶博士将激光诱导石墨烯的生产描述为“绿色技术”。使用这种技术可以将所有含碳材料(例如纤维素或纸)转化为石墨烯。并且可以在环境条件下进行转化,而无需使用原料以外的其他化学物质,也不会造成污染。而且能耗低。

他补充说:“激光诱导的石墨烯口罩是可重复使用的。如果将生物材料用于生产石墨烯,则可以帮助解决口罩原材料采购的问题。它可以减轻不可生物降解的一次性口罩对环境的影响。” 。

叶博士指出,生产激光诱导的石墨烯很容易。在短短的半分钟内,可以将100平方厘米的面积转换为石墨烯,作为掩模的外层或内层。取决于生产石墨烯的原料,预计激光诱导的石墨烯掩模的价格将在手术掩模和N95掩模之间。他补充说,通过调节激光功率,可以改变石墨烯材料的孔尺寸,以使透气性类似于外科口罩。

检查口罩状况的新方法

为了方便用户检查使用一段时间后石墨烯掩模是否仍处于良好状态,该团队制造了一个湿电发生器。它是由人类呼吸中的水分产生的电能驱动的。通过测量用户通过石墨烯呼吸时水分感应电压的变化面具,它提供了面具状况的指示。实验结果表明,细菌和大气颗粒积聚在面罩表面越多,产生的电压越低。叶博士建议:“面具更换频率的标准最好由专业人员决定。但是,我们使用的这种方法可以作为参考。”


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