研究人员分析纳米纤维与气溶胶的互动 有望帮助提高口罩的防护效率

根据世界卫生组织截至2021年9月7日的新冠疫情统计数据,自爆发以来,COVID-19病毒已经在全球范围内感染了超过2.209亿人,并夺走了超过450万人的生命。然而,许多医学专家认为口罩在减缓病毒传播和保护人类健康方面发挥了相应的作用。

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随着对纳米纤维制造的日益关注,提高口罩功效的创新导致更高的过滤效率、更大的舒适度和更轻松的呼吸能力。然而,微小液滴对纳米纤维的完整性的影响相对不清楚。

在AIP出版社出版的《流体物理学》中,来自中国南方科技大学的研究人员通过纳米纤维与水气溶胶接触互动的可视化来研究这些模糊不清的问题。

“当COVID-19首次出现时,各地的口罩都极其短缺,人们想出了各种方法来‘恢复’使用过的口罩。这就像一场厨师比赛,涉及到煮、蒸、烤,甚至是熏,”共同作者于博洋说。“我们的直觉告诉我们这不可能是正确的。我们必须研究一下,看看纳米纤维到底发生了什么。”

于博洋和他的同事使用高速显微镜视频系统地观察了由不同接触角、直径和网眼大小的聚合物制成的纳米纤维在水气溶胶暴露下的演变。

“拍摄纳米纤维就像给婴儿拍照,”于博洋说。"他们不喜欢停留在原地看镜头。这是因为纳米纤维非常柔软和脆弱,特别是在气溶胶流的吹佛下。但只要有足够的细心、耐心和运气,我们最终得到了用于分析的漂亮照片。"

产生的图像显示,纳米纤维在"液滴捕获阶段"以及随后的液体蒸发阶段不可逆转地凝聚,大大减少了捕获气溶胶的有效纤维长度。它们表明疏水性和正交织的纤维可以减少毛细力并降低纤维的凝聚率。

“我们证实了三件事,”共同作者邓巍巍说。“第一,纳米纤维在捕捉气溶胶中的液滴方面非常出色。第二,纳米纤维在捕获气溶胶后被粘合在一起。第三,这种结合是紧密和不可逆的,即使在捕获的液滴蒸发后也是如此。”

"湿润的纤维倾向于相互结合,就像湿毛发倾向于捆绑在一起一样。这是因为毛细力,随着尺寸尺度的缩小,毛细力变得占主导地位,它对纳米纤维来说是非常强大的。"

该研究的发现有望帮助改善用纳米纤维制造的口罩的设计、制造和使用。它们为经常更换口罩的需要提供了直接的视觉证据,特别是在寒冷的环境中。

"冬天来了,"邓巍巍说。"当外面很冷时,你的呼吸含有更多的飞沫,可能会使纳米纤维网更快地崩溃。"

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