水是人類(lèi)的生命之源，目前，全世界仍有6.5億人缺乏衛(wèi)生的飲用水，每年有數(shù)百萬(wàn)人死于水傳播的細(xì)菌疾病。如何高效、低成本、可靠的凈化飲用水，尤其是那些被病原微生物污染的水，是各國(guó)科學(xué)家關(guān)注的問(wèn)題。
傳統(tǒng)的飲用水消毒技術(shù)包括采用消毒劑和膜分離技術(shù)等，但是這些方法難免存在需要龐大的基礎(chǔ)設(shè)施、微生物污染、水通量下降、能耗高等諸多問(wèn)題。
絲瓜絡(luò)是一種天然的殺菌材料，具有均勻的三維（3D）纖維骨骼結(jié)構(gòu)，其間分布著天然殺菌成分（單寧和糖苷），使其具有高效的殺菌功能，而且液體滲透速率高，但是隨著殺菌成分的流失，其殺菌性能不斷下降。
成果介紹
受到絲瓜絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，東華大學(xué)丁彬教授課題組提出了一種二氧化硅納米纖維氣凝膠（SNA）仿生骨架結(jié)構(gòu)，將殺菌劑通過(guò)化學(xué)鍵合的方式結(jié)合到骨架結(jié)構(gòu)中，制備出一種具有超彈性、高通量、反復(fù)使用的殺菌材料。這種材料在1000次循環(huán)壓縮過(guò)程中只觀察到了16%的塑性形變，水通量高達(dá)57 600 L·m-2·h-1，僅耗時(shí)1分鐘和3分鐘內(nèi)就能滅活99.9999％的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，性能是現(xiàn)有材料的100倍。SNA的合成為殺菌和防污材料的研究開(kāi)辟了一條新道路。
SNAs-Cl仿生殺菌材料的制備
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絲瓜絡(luò)具有3D互連的纖維結(jié)構(gòu)，天然粗糙的纖維表面有效地增強(qiáng)了親水性。受到這種結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者以電紡二氧化硅納米纖維來(lái)構(gòu)建3D互連骨架，由含有N-鹵胺結(jié)構(gòu)的硅烷水解形成Si-O-Si鍵合網(wǎng)絡(luò)，用納米SiO2顆粒在電紡纖維上建立納米級(jí)粗糙度，從而完美復(fù)刻了絲瓜絡(luò)的結(jié)構(gòu)。隨后，研究者通過(guò)冷凍干燥制備成氣凝膠，均勻的Si-O-Si交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包裹著SNA纖維形成網(wǎng)絡(luò)，最后采用稀釋的漂白劑溶液進(jìn)行氯化，將N-H基團(tuán)轉(zhuǎn)化為N-Cl基團(tuán)，制備出具有超彈性、可反復(fù)使用的仿生納米纖維骨架殺菌材料。
SNAs-Cl仿生殺菌材料的超彈性
在水凈化時(shí)，材料在大變形情況下依然能保持完整性非常重要，也就是材料的彈性要足夠高。研究者比較了不同結(jié)構(gòu)SAN的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為。發(fā)現(xiàn)隨著TEOS含量的增加，SNA的最大壓縮應(yīng)力從4.9 kPa增加到9.5 kPa。當(dāng)外部應(yīng)力施加到氣凝膠上時(shí)，壓縮應(yīng)力依次導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)變形、纖維彎曲以及化學(xué)鍵合破壞。研究者采用分子模擬對(duì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的彈性行為進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)T1S1的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有適度的交聯(lián)度和良好的柔韌性，在三種氣凝膠中表現(xiàn)出最佳的機(jī)械性能：在最大ε時(shí)測(cè)得的壓縮σ為30.7 kPa，這是密度相同的其它陶瓷或碳?xì)饽z材料的2-6倍。研究者又進(jìn)行了SNA的循環(huán)壓縮實(shí)驗(yàn)，在1000次循環(huán)壓縮過(guò)程中只觀察到了16%的塑性形變，而且保留了至少60％的初始楊氏模量和最大應(yīng)力，角頻率范圍從0.1到100 rad·s-1時(shí)，材料的儲(chǔ)能模量、損耗模量和阻尼比幾乎保持不變，這表明SNA網(wǎng)絡(luò)具有超彈性特征。
SNAs-Cl仿生殺菌材料的反復(fù)殺菌性能
在制備SAN時(shí)采用了N-鹵胺化合物，在氯化后Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)中的N-H基團(tuán)會(huì)轉(zhuǎn)化為具有殺菌作用的N-Cl基團(tuán)：當(dāng)病原體與氯化纖維骨架接觸時(shí)， N-Cl基團(tuán)產(chǎn)生的氧化氯會(huì)與細(xì)菌蛋白質(zhì)和巰基酶發(fā)生反應(yīng)而殺滅細(xì)菌，N-Cl被還原成酰胺基團(tuán)，再次氯化后N-Cl基團(tuán)重新生成，又具備了殺菌活性，也就是說(shuō)這種材料可以反復(fù)使用。通過(guò)控制納米SiO2顆粒的負(fù)載量可以調(diào)節(jié)SNA的層次結(jié)構(gòu)，當(dāng)負(fù)載量為0.05 wt％時(shí)，活性氯含量增加到4800 ppm，這主要是由于納米顆粒提高了纖維表面粗糙度造成的。在十次反復(fù)氯化過(guò)程中，材料均表現(xiàn)出穩(wěn)定的活性氯含量，這是由于3D骨架和N-鹵胺結(jié)構(gòu)出色的穩(wěn)定性所致。
研究者以革蘭氏陰性菌大腸桿菌（E. coli）和革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌（S. aureus）為例，評(píng)估了SNAs-Cl的殺菌能力，發(fā)現(xiàn)SNAs-Cl僅耗時(shí)1分鐘和3分鐘就能滅活99.9999％的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，而之前報(bào)道的材料表現(xiàn)出相似的殺菌性能，至少需要6到20小時(shí)的接觸時(shí)間。這種材料的殺菌機(jī)理類(lèi)似氯消毒劑，細(xì)菌細(xì)胞膜受損而被殺死。
SNAs-Cl仿生殺菌材料的水消毒應(yīng)用
研究者以SNAs-Cl為殺菌過(guò)濾器，以濃度為5×106CFU mL-1含大腸桿菌的水作為給水，研究了它在實(shí)際水消毒應(yīng)用中的表現(xiàn)。將預(yù)先潤(rùn)濕的氣凝膠放入玻璃過(guò)濾裝置中，將污染的水倒入，細(xì)菌與氣凝膠接觸后被滅活，干凈的水迅速流入濾瓶。
在壓力驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)水流量為26000 L·m-3時(shí)，SNAs-Cl材料水通量達(dá)到7000 L·m-2·h-1，大腸桿菌減少了6 log；當(dāng)壓力達(dá)到20 kPa時(shí)，水通量更是高達(dá)57600 L·m-2·h-1，是現(xiàn)有材料的10~100倍，細(xì)菌被徹底殺滅。
小結(jié)
受到絲瓜絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，東華大學(xué)丁彬教授課題組將電紡SiO2納米纖維和N-鹵胺基功能化的Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，制備出具有仿生纖維骨架結(jié)構(gòu)的超彈性殺菌SNA材料。發(fā)現(xiàn)隨著TEOS含量的增加，SNA的最大壓縮應(yīng)力從4.9 kPa增加到9.5 kPa，T1S1交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有適度的交聯(lián)度和良好的柔韌性，在最大ε時(shí)壓縮σ為30.7 kPa，是密度相同的其它陶瓷或碳?xì)饽z材料的2-6倍；在1000次循環(huán)壓縮過(guò)程中只觀察到了16%的塑性形變，保留了超過(guò)60％的初始楊氏模量和最大應(yīng)力。SNAs-Cl僅耗時(shí)1分鐘和3分鐘就能滅活99.9999％的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，反復(fù)氯化十次后，材料依然保持穩(wěn)定的殺菌活性。在20 kPa壓力驅(qū)動(dòng)下，SNAs-Cl材料水通量高達(dá)57600 L·m-2·h-1，是現(xiàn)有材料的10~100倍。
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