2019年的冠狀病毒（COVID-19）影響了210多個國家和地區(qū)，并且主要通過呼吸道飛沫傳播。在高風險地區(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嚴重危害環(huán)境。那么問題來了，新型口罩該如何設(shè)計？
為此，香港理工大學李桂君課題組提出了一種獨特的方法對市售口罩進行功能化處理，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正向轉(zhuǎn)移法，將多層石墨烯沉積到低熔點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）
對激光轉(zhuǎn)移石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進行了系統(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于D峰值的強度比，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，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.?可重復使用性（自消毒）
普通商用口罩對太陽光譜的吸收低，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。實驗表明，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。石墨烯口罩達到了每小時1.13公斤/平方米的太陽能蒸汽產(chǎn)生率，雖然該數(shù)值低于最新研究報道的蒸發(fā)量，但對于利用太陽能進行小規(guī)模的海水淡化來說已經(jīng)足夠，遠高于原始口罩（僅為0.3公斤/平方米）。同時，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。當蒸發(fā)了10%的鹽水時，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，這是因為微尺度纖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，具有巨大的可重復使用和可回收的潛力。關(guān)鍵是成本極低，每一個石墨烯口罩的成本估計為0.05美元，可以批量生產(chǎn)。因此，這些可重復使用和可回收的口罩可以提供經(jīng)濟、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。
參考文獻：
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
