导读： 皮肤作为人体面积最大的器官，可以感知各种机械刺激，例如触摸、压力、震动等，其工作机制是人体皮肤的机械性刺激感受器（Mechanoreceptor）在受到外界机械刺激时，其细胞膜电位（Membrane Potential）随之发生变化，即机械刺激转化为生理电信号，随后通过神经传导到达大脑，形成一定的反馈和应激。这类通过细胞膜电位变化来感知外界机械刺激的传感特性，具有高效、敏感、耗能极低的特点，因此，皮肤能够敏感地感知外部刺激，并可以通过生理电信号与机械动作的反馈，进行自我保护。模仿人体皮肤的这种感知行为，设计构建传感器件，在可穿戴智能设备、人工电子皮肤以及人机交互系统的开发和应用具有重要意义。近日，四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室卢灿辉教授团队、美国加州大学伯克利分校Ana Arias教授团队通过模仿人体皮肤感知器官的传感行为，设计了一类基于电位式力学传感机制、构筑了具有独特传感特性的电子皮肤，相关成果以“A Potentiometric Mechanotransduction Mechanism for Novel Electronic Skins”为题，发表在《Science Advances》上（Science Advances, 24 Jul 2020:Vol. 6, no. 30, eaba1062，DOI: 10.1126/sciadv.aba1062）。论文第一作者为吴晓东博士，四川大学卢灿辉教授和加州大学伯克利分校Ana Arias教授为共同通讯作者。人体皮肤感知器官在受到机械刺激时，其膜电位会发生变化（图1A-C）。为了模仿这种生理传感行为，该研究采用两种电极材料（普鲁士蓝/碳材料和银/氯化银材料）和聚乙烯醇/氯化钠/甘油/水组成复合材料作为电解质，形成电势差；然后通过调整复合电解质的组成来调节本征阻抗，并在复合电解质表面构筑三维微观结构来调节电极/电解质界面性质（图2E-H），巧妙地实现了将外界机械刺激产生的变化，转化为两个电极材料之间电势差输出的变化（图1D-F），为通过模拟细胞膜电位变化，灵敏感知外界机械刺激的皮肤触感机制，研制具有电位-力学传感特性的电子皮肤奠定基础。图1.电位式力学传感机制的设计原理和思路作者设计并制作了三明治式和并列式两种构型的电极器件（图2A-C），其中并列式电极结构更紧凑，工艺更便捷，可通过溶液加工方法，大规模、高质量制备传感器件（图2D）。本研究研制的电位式力学传感器件对机械刺激具有良好的检测能力，既可以检测静态及缓慢变化的机械刺激（图3A，D），也可以用于监测低频动态的力学刺激（图3E），具有优异的可调性（图3B）、快速的响应/恢复速度（图3C）和良好的循环稳定性（图3F）。基于本研究提出的新型电位式力学传感机制，设计并制作了多种独特性能的传感器件，如可拉伸但应变不敏感的力学传感器（图4）、“单电极模式”电子皮肤（图5）等。图2. 电位式力学传感器件的构型与触感特性图3. 电位式力学传感器件的性能大多数柔性传感器件在发生形变时，其本征电阻将发生显著变化，将严重干扰其传感行为。而本研究设计的电位式传感器件中，通过植入内置电阻（图4A），保证了在电势差测量过程中，传感器件本身电阻在应变下的相对变化非常小，很好解决了传统柔性传感器件形变时本征电阻变化对其传感性能影响大的难题。本研究将可拉伸导体与所研制的电位式传感器相连接（图4B），结果表明该力学传感器件具有良好的可拉伸性（图4C，达50%），在不同应变下的力学响应行为基本不变，具有优异的应变不敏感特性（图4D，F，G），完美实现了将外界压力与器件应变的去耦合，本文关于传感器设计思路和制作方法对高性能、高稳定可拉伸电位式力学传感器件的发展具有理论意义和借鉴价值。图4. 利用电位式传感机理构建的“可拉伸、应变不敏感力学传感器”性能传统的电子皮肤的每个传感单元都是由两个或两个以上的电极构成（双电极模式），大量的电极和连接线阵列的存在限制了单位面积（体积）电子皮肤的传感元的数量和密度（图5A）；采用“十字交叉”的电极模式可大幅度减少电极以及连接线数量（图5B），但是，这种模式传感元只能逐一操作，难以获得高采样频率的传感器件。针对上述问题，作者创新性地提出利用电位式传感机理来构筑“单电极模式”的电子皮肤（图5C）。具体工作机理是：在电势差测量过程中，只需要使用一个电极作为共用的参比电极，然后测量其它传感电极相对该参比电极的电势差，在电势差测量过程中几乎没有电流通过电路系统，因此所有的传感电极可以同时工作，而不会相互干扰。该种“单电极模式”电子皮肤可大幅度减少电极和连接线数量，同时简化了连接线的排布方式，大幅度提高了电子皮肤的传感元数量及密度；更重要的是，系统中所有传感电极（传感元）可以同时工作，极大提高了电子皮肤的采样频率。本研究开发的电位式机械传感器件可用于应力、位置、轮廓的静态或动态监测（图5D-H），拓展了高性能人工电子皮肤的研究思路，易于实用化，应用前景广阔。图5. 基于电位式传感机理构筑“单电极模式”电子皮肤及传感性能原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eaba1062第一作者吴晓东博士简介：第一作者吴晓东博士（2019年博士研究生毕业于四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室，导师为卢灿辉教授），目前为加州大学伯克利分校博士后。吴晓东博士在研究生学习期间主要围绕可穿戴智能器件和人工电子皮肤的仿生设计、规模化制备及应用开展系列研究工作，如结合筛网模板法和电极打印技术实现高性能压力传感器件的大面积规模化制备（Adv. Electron. Mater. 2020, 6, 1901310）；通过模仿蜘蛛感知器官的微裂纹结构开发了高灵敏、宽量程的压力传感器件（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6246）；通过独特导电微纳结构的设计实现了多种应变传感器件的制备（ACS AMI 2017, 9, 23007; ACS AMI 2016, 8, 9936.）等。以第一作者身份在Sci. Adv.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Electron. Mater.，JMCA（2篇），ACS AMI（4篇）等知名学术期刊发表研究论文15篇，其中高被引SCI论文3篇。通讯作者之一卢灿辉教授简介卢灿辉，高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）、四川大学高分子研究所教授、博士生导师，四川省学术与技术带头人，四川省有突出贡献优秀专家，兼任中国塑料加工工业协会专家委员会副秘书长、四川省轮胎翻新与利用协会副会长。围绕 “新材料”和“难再生废弃高分子材料高效、高质、高值回收与再制造”等国家重大需求开展研究，主要开展废弃橡胶（包括特种橡胶）及交联型废弃高分子材料的解交联再生利用及再制造技术与装备开发，围绕可再生资源开展纤维素/甲壳素的微纳米加工及其与二维材料的宏观组装，重点研究其在柔性传感、纳米发电、电化学储能器件的设计、构建及其在可穿戴设备中的应用，相关成果发表在ACS Nano, Science Advances，Advanced Materials, Energy Storage Materials, Angew Chem Int Ed, Advanced Functional Materials等期刊，论文得到广泛引用和正面评价。近年来在聚烯烃高填充无机粉体复合材料、废旧轮胎橡胶和特种橡胶高值化利用新技术和新装备、纳米纤维素制备和功能材料等技术开发和产业化应用取得突出成绩，其中15项研究成果实现产业化应用，取得重大的经济效益和社会效益。研究成果曾荣获“国家技术发明奖”二等奖、“教育部科学技术奖”一等奖及中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国专利金奖和其他省部级科技进步二等奖5项。

关键词：传感,传感器,电极,皮肤,电位,电子,力学,刺激,机械,设计

导读： 软体机器人因其特有的优势，在很多领域受到越来越多的重视。机器手作为机器人与外界交互的主要工具，在机器人设计开发中具有十分重要的地位。柔性机器手具有良好的灵活性和适应性，能够实现连续变形，使得在人-机器人以及环境-机器人的交互应用中，可以有效避免对人和物品等造成可能的伤害和损坏；更重要的是，柔性机器手能够在较为简单的控制策略下，轻松实现与复杂形状的物体的贴合（共形）接触。因此，开发能够灵活抓取和操控的柔性机器手受到科研人员的普遍关注。近日，美国密歇根州立大学曹长勇教授团队与北华大学耿德旭教授团队合作研发了一种刚柔耦合气动柔性执行器(FHPA)和柔性仿人机器手。该柔性复合机器手采用人手仿生学结构，通过新的弯曲型刚柔耦合气动柔性执行器FHPA进行驱动，具有结构简单、轻质、灵活、输出力大和适应性强等特点（图1）。该手指状柔性执行器内部布设硅胶弹性体气囊，外侧装有薄片状束环，气囊与束环在一侧设有板状弹性骨架。施加气压后，执行器内气囊内壁受压发生膨胀，外壁径向变形受束环约束从而以产生轴向力为主，从而产生实现类手指的弯曲运动。该设计中，柔性执行器采用装配集成方式，可布设多个气囊进行驱动以产生更大的抓力。整个执行器内部软体气囊与弹性骨架刚柔相济，弹性骨架起支撑和连接作用，可提高柔性执行器刚度和弹性恢复，保证执行器在完成运动功能和柔性的同时，使柔性机器手在抓持物体时保持一定的刚度。机器手整体结构采用非对称式 - 拇指与中指相对。拇指并采用双驱动单向弯曲柔性执行器来增强机器手抓持能力，其余四指采用单驱动单向弯曲执行器。此外，在气压控制系统内装有气压传感器用于监控每根手指执行器的内部压力，以便手指变形与物体接触后，及时进行反馈调节压力以适应不同物形和重量目标物体。实验结果表明，采用该刚柔耦合气动柔性执行器制备的机器手具有良好的灵活性，能够精准完成抓、握和捏等多种动作；同时，通过调节执行器内部气压，既可以控制手指形变和输出力，又对抓取物的形状变化具有较强的适应性。该柔性机器手夹持力可达12牛，可抓持重量为1.3千克以上的物体，未来在机器人-人、机器人-环境交互应用中将具有巨大的应用潜力。图1：刚柔复合气动柔性执行器(FHPA)结构与制作。应用该柔性执行器制作的气动仿人柔性机器手具有较好的适应性，可实现抓、握、捏、夹等动作。图2：FHPA 形变分析。（a）FHPA几何变形与受力分析；（b）FHPA内部硅胶气囊变形前后横截面变化；（c）FHPA内部硅胶气囊变形前后剖视图；（d）不同气压下FHPA的位移和弯曲拟合曲线；（e）FHPA在充气和放气过程中弯曲角度变化；（f）FHPA弯曲角度实验数据与理论数据对比；（g）FHPA在气压0-0.3 MP，气压间隔为0.05 MPa下的弯曲变形。图3：几何参数对FHPA性能的影响。(a)和(b)分别是弯曲角度测量装置和FHPA几何参数示意图；(c)和(d) 分别是不同厚度的圆环状和圆柱状约束环对弯曲角度的影响；(e)和(f)分别是在不同的气压作用下，FHPA的弯曲角度和输出力与执行器长度l之间的变化关系；(g)和(h)分别是在不同的气压作用下，FHPA的弯曲角度与力臂h之间的变化。图4.板弹簧和执行器内腔气囊几何参数对FHPA弯曲性能的影响。(a)和(b)分别是板弹簧宽度对弯曲角度和输出力的影响；(c)和(d)是板弹簧厚度对弯曲角度和输出力的影响；(e)和(f)FHPA内腔气囊内径和外径对弯曲角度和输出力的影响。图5：约束边界对FHPA性能的影响。(a)应用高分辨率CT观测FHPA内腔气囊在施加气压后的变化；(b)不同约束边界条件下FHPA内腔气囊接触变形；(c)当约束环厚度t=2 mm 时，不同形状的约束环对FHPA内腔气囊壁厚的约束效果对比；(d)和(e)是施加气压后，不同厚度和不同间隙的约束环对FHPA内腔气囊壁厚影响对比；（f）和(g)是在两种特定条件下FHPA内腔气囊横截面积与施加气压之间理论计算与实验之间的对比；(h)FHPA在两种不同形状的约束环条件下弯曲变形角度对比。图6：FHPA内腔结构对其性能的影响。(a-d)分别是单驱动FHPA、双驱动FHPA、三驱动FHPA和四驱动FHPA；(e)和(f)分别是四种执行器弯曲角度和输出力与施加气压之间的关系。以上相关成果发表在国际著名期刊Soft Robotics上。论文第一作者为北华大学/密歇根州立大学刘晓敏博士，通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授和北华大学赵云伟教授。北华大学耿德旭教授、密歇根州立大学包装学院博士生陈守锷和电气与计算机工程系谭晓波教授为论文共同作者。论文链接: https://doi.org/10.1089/soro.2020.0001课题组网站：www.caogroup.org

关键词：FHPA,执行器,弯曲,柔性,气囊,气压,机器,角度,影响,约束

导读： 空气中的颗粒物污染对人们的健康造成了严重威胁，颗粒物的高效去除技术已成为人们应对环境变化的重要手段。由于大多数人80%以上的时间在室内度过，因此在大风量下实现高效去除室内颗粒物的技术成为了营造健康环境的必需。目前在建筑和车辆通风系统中最常用的颗粒物去除方式是采用机械过滤，但通风过滤技术的瓶颈问题是：高过滤效率、低阻力、大容尘量难以兼得。因此发展兼顾上述三者的空气颗粒物过滤技术，对健康建筑环境营造和节能减排都具有重要意义。目前主要思路是围绕纳米材料等高成本、高级材料制备方法来提升过滤性能，本研究思路是基于低成本的粗效过滤材料，采用可大规模量产的清洁无污染方法对粗效材料进行修饰或改造，通过增强材料表面的静电响应能力和保持颗粒物的能力，增大纤维与颗粒物之间的作用力，在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率，从而解决通风过滤的应用需求。本研究发展了一种静电增强颗粒物过滤装置（EAA，如上图），通过电晕放电预荷电颗粒物，并通过平行电极极化粗效纤维过滤材料，增加颗粒物和纤维之间的静电作用力，实现颗粒物的高效率、低阻力、大容尘量去除。其中，通过在PET粗效过滤纤维上原位负载聚多巴胺（PDA），调控过滤纤维表面的电学特性和微结构，使得过滤纤维对极化电场具有更强的静电响应能力和颗粒物保持能力，可以从空气中选择性地捕获和锁定荷电颗粒物，而不增加对气体分子流动的阻碍，实现在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率。静电增强粗效PET纤维过滤（EAA PET），静电增强负载PDA后的粗效PET纤维过滤（EAA PDA@PET），和市售暖通空调用过滤器的过滤效率和阻力对比：EAA PDA@PET过滤器可以对0.3 μm颗粒物实现高达99.48%的过滤效率，并且在迎面风速为0.4 m/s时空气阻力低至9.5 Pa。与不负载PDA的普通市售PET过滤材料对比，过滤效率显著提升的同时，阻力无明显变化。负载PDA前后对各粒径段的颗粒物过滤效率对比：负载PDA前后在不同迎面风速下对0.3 μm颗粒物的过滤效率对比：负载PDA前后在不同迎面风速下的阻力对比：负载PDA前后的PET粗效过滤材料形貌对比：该EAA PDA-140@PET过滤装置在长达30天，每天运行8小时的长期工况中表现出稳定的高过滤效率（如下图，对0.3、0.5和1 μm颗粒物的平均过滤效率分别为 98.63%、99.04% 和 99.83%）。PDA-200@PET在30天内集尘量达到173.9 g/m2（如下图），与过滤材料自重 (187.9 g/m2)相当，从而可以有效解决通风过滤的实际应用需求。要点小结1） 本研究通过原位多巴胺聚合工艺将聚多巴胺（PDA）负载在粗效PET纤维上，通过与双荷电静电增强过滤装置（EAA）结合，与市售暖通空调用过滤器相比，实现了高过滤效率和低阻力的优异性能：对0.3 μm颗粒物实现高达99.48%的过滤效率，并且在迎面风速为0.4 m/s时空气阻力低至9.5 Pa。由于其具备低阻、高效特性，可直接加装应用于送风口或通风管道，而无需增设驱动风机。2） 该技术易于实施且具备环境可持续性。本研究中的原材料是市售的低成本粗效过滤器，且负载物PDA是一种环保型可生物降解的粘合剂。PDA@PET过滤材料的制造过程简便，不使用和产生污染环境的物质，可以实现工业化量产。3） 该技术可以有效解决通风过滤的实际应用需求。在迎面风速达到2m/s时，相比未负载的PET粗效过滤，PDA@PET对0.3 μm颗粒物的过滤效率从75.24%提升至90.72%，且不增加阻力。该技术在长期运行过程中效率高且稳定，在30天内对0.3、0.5和1 μm颗粒物的平均过滤效率分别保持在98.63%、99.04%和99.83%，总集尘量达到173.9 g/m2，与过滤材料自重相当。实现了在大风速下，长期稳定、高效、大容尘量去除颗粒物。4） 本研究详细刻画了EAA装置的设计原则和过滤材料选择标准：依据单极子捕获距离RMC将EAA粗效过滤的机制分为三个阶段。其中RMC取决于颗粒物荷电量qp、极化电压U2、和纤维材料的介电/热电/异质性等，较大的RMC意味着颗粒能够经过较大的孔径（以较低的空气阻力）被纤维捕获。当颗粒到达纤维表面后，具备抗静电性能、强附着力和粗糙表面的过滤纤维将颗粒物牢固粘附，实现长期稳定高效率和大容尘量过滤颗粒物。以上相关成果发表在Small（2021, 2102051）上，并被选为封底内页文章（Inside back cover）。论文的第一作者为是清华大学-麻省理工学院联合培养博士生田恩泽，通讯作者为麻省理工学院的李巨教授、徐桂银博士，以及清华大学的莫金汉副教授。原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202102051课题组链接：JMO Lab @ THU (jmo-lab.net)

关键词：过滤,颗粒物,PDA,效率,PET,纤维,粗效,负载,阻力,EAA

导读： 目前全世界每年有数亿条轮胎被废弃。到2030年，这一数字预计将达到每年12亿。垃圾填埋和焚烧等处理方法，不仅占用人类有限的土地资源，而且会造成严重的污染，不符合“双碳”目标。共价适应性网络（CANs）可以赋予橡胶材料可回收性和再加工性，有望缓解废旧橡胶造成的黑色污染，但其强度相对于传统硫化橡胶严重下降，通常需要添加大量无机纳米填料和各种助剂来达到所需的强度。然而，高含量的填料和添加剂往往造成回收率的降低。因此，如何在橡胶材料中实现优异的可回收性和高强度的共存是一个重大的挑战。 针对上述问题，中科院长春应化所白晨曦团队制备了一种可回收的自增强聚丁二烯基材料，它可以在不牺牲其可回收性能的情况下实现机械性能的后增强。具体来说，通过硫醇-烯点击反应将氨基接枝到聚丁二烯，使用合成的新型交联剂，创新性地将亚胺键和二硫键引入同一交联段，在聚丁二烯橡胶基体中构建了双动态共价适应性网络。加热样品时，芳香二硫键断裂产生的苯基硫自由基会进攻双键（主要是乙烯基）和/或与烯丙基位点偶联，从而生成更强的交联结构，同时不会影响亚胺单元为材料带来的再加工和可回收特性。图1. PB-SSCN-x%的合成路线示意图及固体加热过程中自增强的机理 使用自由基捕获剂在不同温度下进行电子顺磁共振（EPR）检测材料在不同温度下的苯基硫自由基信号。当温度达到100℃时检测到自由基信号（图2a），其强度随着加热时间的增加而增加。图2b中DMA曲线从100℃开始的上升可以归因于芳香二硫键在高温下的断裂，增强了网络的流动性。蠕变试验（图2c）表明，从100℃开始，应变大幅增加，主要是由于二硫键断裂和材料在高温下的软化，由此确定了自增强过程的激发温度。对材料在不同环境处理后进行测试。在氮气环境下（图2d），材料强度（从10.54 MPa至17.17 MPa）和伸长率（从97%至104%）均具有良好的自增强效果。在空气环境下（图2e），由于苯基硫自由基和碳自由基以及氧杂质发生副反应，在网络中形成环状结构，从而导致强度提高，断伸略有下降。应力松弛试验表明，材料模量在自增强前后完全松弛（图2f），特征松弛时间（τ*）遵循Arrhenius定律。虽然部分动态二硫键缺失，但动态亚胺键保留下来，并承担主要的应力耗散作用。通过调节交联强度，材料经加热后的拉伸强度可跃升至19.27 MPa，甚至超过了传统硫化型高乙烯基聚丁二烯橡胶（HVPB）的强度指标（图3），在目前非硫化聚丁二烯基聚合物材料中具有最高的拉伸强度（制备时不添加填料或任何其他添加剂）。图2. (a) 不同温度下的EPR光谱 (b) DMA曲线 (c) 从室温到150℃的蠕变曲线 (d) N2环境下自增强后应力应变 (e) 空气环境自增强后应力应变 (f) 应力松弛曲线 图3. 聚丁二烯基材料的强度比较 自增强前后的样品均可进行多次循环再加工，性能保持率可以达到85%（按拉伸强度计算）。这是因为自增强后，相邻的动态亚胺单元得以保存。另一方面，材料也可以通过液相法回收。在室温下，将其浸泡在过量的正丁胺/氯仿溶液中过夜，即可完全溶解（图4c）。推测过量的正丁胺通过亚胺的交换反应取代了交联剂的原始位置，导致聚合物解交联。图4. 材料再加工和化学回收性能 动态单元还赋予材料优良的延展性和形状记忆能力。如图5a所示，可以轻松定制不同的复杂结构，无需在精确的温度或复杂的模具中加工。材料的断裂界面可实现自粘接，且自粘接试样可以举起至少是自身重量3000倍的重物（图5c）。通过添加10% wt%的碳纳米管，该橡胶材料还可以作为基体制备可多次循环利用的导电复合材料（图5e、f）。图5. 材料的部分应用 相关研究成果以”Self-Strengthening, Self-Welding, Shape Memory, and Recyclable Polybutadiene-Based Material Driven by Dual-Dynamic Units”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces。论文的第一作者为中科院长春应化所博士研究生杨胤鑫，通讯作者为贺剑云副研究员和白晨曦研究员。研究工作得到国家自然科学基金等项目的支持。研究团队一直以来从事新型生物基功能单体合成（ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 7214）、双烯烃单体的绿色合成（ACS Sustainable Chem. Eng.2021, 9, 25, 8341）、双烯烃可控聚合（Macromolecules, 2017, 50, 7887）以及高性能新结构弹性体材料的制备研究（ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12, 33305），白晨曦研究员课题组科研项目经费充足，薪酬待遇优厚，现诚招化学、材料等专业背景的特别研究助理（博士后）和科研应届毕业生，有意者请将个人简历发至邮箱baicx@ciac.ac.cn.论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c23007

关键词：增强,强度,自由基,聚丁二烯,温度,应力,可回收,二硫键,环境,动态

导读： 空气中的颗粒污染物已经造成了严重的公共健康问题。尤其在COVID-19大流行期间，全球对高性能口罩的需求显著增长。然而现有口罩存在PM0.3/病原体拦截效率低、透气性差、纤维原料消耗大、无法重复使用和回收利用等问题。近期，东华大学覃小红、王黎明团队通过无针式静电纺丝-喷涂成网技术构建了多尺度纳米纤维/碳纳米管（NF/CNT）网络（图1a），将良好分散的CNT网络（直径≈25 nm）逐层“焊接”在纳米纤维（直径＞100 nm）支架上。优化的NF/CNT网络具有窄分布微孔( ≈ 400 nm)、“自由分子流”行为和静电吸附特性，展现出优异的过滤效率(99.994%的PM0.3去除率)和阻力(＜0.05%大气压)。此外，由于独特的多尺度纳米结构，NF/CNT网络还具有可靠的光热自杀菌和电热自杀菌能力。在1 sun辐照下5 min大肠杆菌杀菌率＞99.986%。在无光条件下2 min电热大肠杆菌杀菌率＞99.9999%。更为重要的是，弃后的NF/CNT网络口罩可以作为高性能光热水蒸发器蒸完全回收，用于海水淡化 (3.56 L m-2 d-1)。这项工作为减少疾病传播和资源消耗、减轻环境负担提供一种解决方案（图2）。图1 NF/CNT网络制备 图2 多尺度纳米结构纤维网络高性能、自杀菌和可回收口罩 该工作以“Multi-Scale Nanoarchitectured Fibrous Networks for High-Performance, Self-Sterilization, and Recyclable Face Masks”为题发表在《Small》上（doi/10.1002/smll.202105570）。文章第一作者是东华大学熊健博士。通讯作者为王黎明研究员和覃小红教授。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105570

关键词：网络,CNT,NF,杀菌,口罩,纤维,纳米,nm,高性能,尺度

导读： 超疏水表面在自然界中广泛存在，如荷叶、水稻叶子、水黾的脚以及蛾子的眼睛等。此类超疏水表面通常由微纳层级结构所构成，其表面的水接触角大于150°且滚动角小于10°。近年，由于在防水、自清洁、防污、抗结冰、防腐蚀以及防止细菌生长等诸多领域的巨大应用前景，超疏水表面受到人们的广泛关注和热点研究。研究者通过模仿自然界中超疏水材料表面的微纳层级结构特征，设计了诸多性能优异的人工超疏水表面。然而，上述精密的微纳层级结构在经历机械变形后极易破损，因此，如何提高超疏水表面对机械变形的耐受性是目前该领域的难点之一。另一方面，通过降低材料表面的自由能也可实现超疏水性。在此前的研究中，氟化处理经常被用于降低材料表面的自由能。然而，氟化处理对生态、环境以及人类健康存在一定危害。因此，研发无需氟化处理的超疏水表面成为该领域的迫切需求。尤其是随着柔性电子技术和可穿戴设备的发展，构建具有高度机械变形耐受性的环保型超疏水表面具有重要现实意义。近期，杭州电子科技大学卢晨曦、李领伟课题组基于前期对柔性膜基系统表面微结构调控的研究（Mater. Design 2020, 193: 108857; Adv. Mater. Interfaces 2020, 1902188; Phys. Rev. E 2020, 102: 022801），设计了一种具有机械变形耐受性和高效自清洁性能的无氟超疏水柔性膜基系统。该系统以具有强界面黏附力、机械柔韧性、环境友好且生物兼容性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为柔性衬底，在其表面通过磁控溅射方法沉积环境友好且生物兼容的疏水性锌（Zn）纳米薄膜。利用Zn和PDMS的热膨胀系数差异，可在Zn/PDMS柔性膜基系统表面构造人字形的褶皱结构（图1a），其具有丰富且稳定的微纳层级结构，可极大地增加材料表面的粗糙度以提供大量“空气口袋”（图1b），从而获得优异的超疏水性（水接触角约为170°，滚动角约为0°）。由于Zn/PDMS柔性膜基系统表面极低的滚动角以及超弱的粘附性（图1c），其表面获得高效的自清洁性能（图2）。此外，该Zn/PDMS柔性膜基系统在经历高度机械变形（拉伸、弯曲、扭转）后仍可保持优异的超疏水性，如图1d-f所示。图1 Zn/PDMS超疏水柔性膜基系统的三维AFM表面形貌图(a)、润湿机制示意图(b)、超弱黏附性(c)、拉伸耐受性(d)、弯曲耐受性(e)以及扭转耐受性(f)。图2 Zn/PDMS超疏水柔性膜基系统的低倾角（~7.5°）自清洁表现：(a)食盐；(b)糖粒；(c)沙粒；(d)粉笔灰。该工作以“Non-Fluorinated Flexible Superhydrophobic Surface with Excellent Mechanical Durability and Self-Cleaning Performance”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14: 4750-4758。该工作的第一作者为杭州电子科技大学卢晨曦博士，通讯作者为杭州电子科技大学李领伟教授。课题组硕士生高源、王昕博士与余森江副教授以及中国计量大学周红实验师为论文共同作者。该研究得到国家自然科学基金，浙江省万人计划和浙江省属高校基本科研等项目的支持。原文链接：C. Lu, Y. Gao, S. Yu, H. Zhou, X. Wang, L. Li, Non-Fluorinated Flexible Superhydrophobic Surface with Excellent Mechanical Durability and Self-Cleaning Performance, ACS Appl. Mater. Interfaces 14 (2022) 4750-4758.https://doi.org/10.1021/acsami.1c21840

关键词：表面,疏水,柔性,系统,Zn,PDMS,耐受性,机械,变形,清洁

导读： 近日，中国科学院近代物理研究所研究人员与来自法国、罗马尼亚、芬兰等国家的合作者在原子核的横向摇摆运动（transverse wobbling）研究中取得进展，相关成果发表在Physical Review C上。对原子核的摇摆运动的研究是验证原子核是否具有稳定三轴形变的主要手段。自2014年理论物理学家首次预言原子核存在横向摇摆运动以来，科学家已经开展了大量研究。然而，实验上，仅在偶偶核130Ba中等自旋区发现存在原子核的横向摇摆带。人们对偶偶核中横向摇摆运动的认知非常有限。研究人员提出在A~130质量区的偶偶核中寻找新的横向摇摆核。该实验是在芬兰Jyvaskyla大学的重离子加速器上完成的。实验中使用了高纯锗阵列(JUROGAM II）、充气反冲核谱仪(RITU)、焦平面探测阵列（GREAT）等设备。其中，JUROGAM II阵列包含24个Clover型和15个tapered型高纯锗探测器，因此实验可获得极高的统计量以保证完成高精度线性极化的测量。研究中发现，136Nd中两条中等自旋带的实验信息满足横向摇摆的特征。为了深入理解实验结果，研究人员发展了新的粒子转子模型。该模型的计算结果和实验结果吻合，因此进一步确定了该核的横向摇摆特征。这是在偶偶核中发现的第二例横向摇摆运动核。该工作有助于人们更深入地理解原子核的三轴形变。相关研究工作获得中科院特别研究助理项目和中科院战略性先导科技专项的支持。 论文链接 实验结果和粒子转子模型计算结果的对比。实心点表示实验结果，线表示理论计算的结果

关键词：实验,摇摆,横向,原子核,运动,阵列,偶偶,人员,模型,粒子

导读： ----口罩中的静电吸附原理是什么？口罩中的静电可以待多久？口罩可以重复使用么？疫情当前，口罩作为抵挡病毒传播的防火墙，成了最紧缺的战略物资。在政府和相关企事业单位的全力推动下，相关企业响应国家号召，积极复产转产，口罩产能快速增长，一定程度上缓解了口罩急缺的局面。但是整体形势依然严峻，特别是国际疫情发展很快。如果口罩可以重复使用和长期储存，那不仅会在很大程度上缓解人民群众紧迫的需求，减少环境污染，也可有力支援国际抗疫，还可支撑长久的家庭保存和战略储备，意义很大。据最新报道，美国甚至开始对医用N95口罩进行了过氧化氢处理，实现20次以上的重复使用。考虑到当今95%以上的口罩材料采用了量大面广的低成本的聚丙烯熔喷材料作为最核心材料——过滤层材料，因此，广大民众十分关心：口罩过滤空气的原理是什么？口罩带电是怎么回事，又是怎么样失效的呢？民用口罩有没有可能重复利用呢？针对上述问题，北京化工大学组建的高性能口罩研究团队联合相关合作企业，撰写此科普文章，由于时间紧，水平有限，错误在所难免，请读者批评指正。(此文贡献人员包括：武文杰 胡水 王丹 宫国卓 张明明 侯冠一 万海肖 高科 陈青葵 陈文泉 张世甲 韩吉彬 张至宇 刘铭晖 李赛 洪崧 刘军 赵秀英 杨卫民 田洪池 卢咏来 张立群 陈建峰；此文贡献单位包括：北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，山东道恩高分子材料股份有限公司，北京化工大学生物医用材料北京实验室，北京市劳动保护科学研究所，中国安全生产科学研究院，北京联合康力医疗器械有限公司，北京铜牛集团有限公司，彤程新材料集团股份有限公司)。30S快速阅读版一、口罩过滤空气的机理主要可以分为两种，一是机械过滤，二是静电吸附，不同材料的口罩，不同颗粒的过滤，可能由其中的一种机理单独作用，也可能共同作用。当今，95%以上的口罩使用了聚丙烯熔喷布作为阻隔过滤层，这类口罩中静电吸附起到了很重要的作用。二、静电吸附的静电主要由口罩中间的聚丙烯熔喷布层提供，这层熔喷布被提前通过电晕驻极（也有少数是通过水驻极）的方法注入了电荷，并且这部分电荷在正常储存时可以长时间存在。三、口罩能否多次使用，决定于两个因素：一是口罩上的病毒和细菌能否被及时消杀；二是经过佩戴和各种方式的消毒处理，口罩中的电荷是否还有存留并提供必要的阻隔性能。四、根据国家卫健委推荐的方法，56摄氏度及以上的热水浸泡半小时是可以消灭新冠病毒的。大量实验已经证明，此程序对一部分熔喷布中的静电电荷影响不大，口罩的滤效下降很小。五、《可重复使用民用口罩》团体标准2020年4月13日已正式发布，通过该标准认证的口罩会带有“可重复使用”或者“RU”的字样，这些口罩是可以通过简单方法（详见文末）处理后重复利用的。详细解读版一、口罩是如何过滤空气的我们知道，某些季节或某些环境下，空气中会有很多的有害杂质，需要过滤和净化后，才能供给呼吸，否则会对身体产生危害。在目前的疫情之下，我们最担心的就是其中的新冠病毒，口罩起到的作用就是将其中的新冠病毒和其他细菌颗粒过滤掉，并阻挡飞沫在人与人之间的传播。口罩的过滤主要基于两种过滤机理：机械过滤和静电吸附（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社；Journal of the Air Pollution Control Association, 1980, 30:4, 377-381；Separation & Purification Reviews 2013, 42 (2), 87-129.）。1. 机械过滤 就是采用机械的方式将病毒等杂质拦截下来，机械过滤又可以分为以下几种：A.拦截效应。如果我们把口罩想象成一个筛子，那大于筛孔尺寸的颗粒肯定是无法通过的，这就是拦截效应的一部分。主要作用对象是尺寸较大的颗粒。图1：拦截效应B. 重力效应和惯性效应。也有一部分粒子虽然尺寸可以通过纤维之间的间隙，但是因为空气流动下的惯性和重力的作用也会撞到纤维上被截留下来，无法和空气一起通过滤材，这两种分别叫做重力效应和惯性效应，这两种效应也是主要作用在质量较大的颗粒上。图2：重力效应 图3：惯性效应C.扩散效应。有一些很小的粒子，在空气中不像较大的粒子那样规则地沿着确定的路线运动，而是会做无规运动，这就是布朗运动。常温下，0.1微米的微粒一秒钟扩散的距离可以达到17微米（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社），这是远大于纤维之间的间距的，因此这些颗粒也非常容易和纤维接触，有更大的机会被截留下来，这就叫做扩散效应。对于大于3微米的微粒，扩散效应会非常微弱，粒子越小，流速越慢，扩散效应会越明显。图4：扩散效应基于以上的论述，我们可以发现，较大的粒子通过拦截效应、重力效应和惯性效应会很容易地被拦截下来，而较小的粒子会通过扩散效应被很好地拦截下来，也就是说中间尺寸的粒子是最难被拦截下来的。滤材过滤效果和粒子尺寸之间的关系如图5所示，总效应最低的位置对应的粒径叫做最低效率粒径（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社）。图5：过滤效率与微粒粒径的关系图6：空气中粒子分布金字塔许多实验证明，对不同性质的微粒，不同纤维层，不同过滤速度，最低效率粒径是变化的。但是大多数情况下，最低效率粒径在0.1-0.4微米之间（空气洁净技术. 2015. 中国电力出版社），PM 2.5颗粒中的很大一部分也是在这个尺寸区间的（空气洁净技术. 2006. 机械工业出版社）。那是不是把滤网上的孔做得足够小，小到0.1微米就可以过滤掉空气中的绝大多数颗粒了呢？是的，这样确实可以过滤掉绝大多数颗粒了，可是这样过滤阻力太大了，会严重影响呼吸的，那怎么办呢？一个办法就是把过滤层做的很薄来减小气阻，现在的很多纳米过滤膜都很薄，譬如口罩用的聚四氟乙烯纳米膜，薄到10微米（0.01毫米）以下；静电纺丝制备的纳米膜，一般也薄到10微米以下，但是这样的薄膜强度很低，必须用强度更高的大孔无纺布等进行复合支撑。与此对比的是，聚丙烯熔喷布的单层厚度在100微米以上，某些N95口罩使用3层熔喷布，最高厚度达到800微米。第二个办法就是使过滤材料具有静电吸附能力。图7：不同种类的过滤膜纤维微观形貌2. 静电吸附 众所周知，带静电的物体是可以吸附轻小物体的，科学家们根据这个原理，在聚丙烯熔喷布中通过各种方法注入电荷，使熔喷布带上静电并长时间保持这一状态。当空气中的颗粒通过口罩时就会被增加的静电作用吸附上去，从而在不提高呼吸阻力的情况下，大大地提高整体过滤效率。静电吸附对于机械过滤很难拦截的0.1到0.4微米之间的颗粒过滤起到了至关重要的作用（Separation & Purification Reviews 2013, 42 (2), 87-129.）。图8：静电吸引轻小物体今天的高质量医用外科口罩和医用防护口罩如N95口罩等正是基于以上这两种过滤机理，兼顾了低过滤阻力和高过滤效率。那现代的医用外科口罩和N95口罩是什么时候诞生的，又是如何引入电荷的呢？图9：静电吸附示意图二、聚丙烯纤维布的驻极充电科学家卡尔·齐格勒（Karl Ziegler）和居里奥·纳塔（Giulio Natta）因为配位聚合催化剂的贡献和等规聚丙烯的合成等工作，于1963年获得了诺贝尔化学奖，此时，距离医用灭菌式纱布口罩的诞生已经过了68年。尽管如此，也要等到15年之后，现代口罩中使用的聚丙烯熔喷布驻极体才被目前防护领域知名的3M公司发明出来，并申请了专利（U.S. Patent No. 4,215,682.）。1981年，3M公司第一次将该材料用于空气净化领域（U.S. Patent No. 4,462,399.），而后又申请了口罩相关的诸多专利（U.S. Patent No. 4,807,619；U.S. Patent No. 4,729,371.）。这也奠定了现代口罩以聚丙烯熔喷布（驻极体）作为核心过滤层的技术基础，而后淘汰取代了无菌纱布口罩。我们已经知道了聚丙烯口罩中电荷的重要性，那口罩中的静电荷可以保持多久呢？静电我们并不陌生，冬季天气干燥的时候脱毛衣就会看到静电引起的小火花，可是毛衣上的静电会很快地消失掉，不能长时间存在，这样的静电荷是不能用在口罩中的。口罩中的电荷是由驻极体提供的，那什么是驻极体呢？其实驻极体的概念非常简单，通俗的讲，只要能长时间储存电荷的材料或物质就可以认为是驻极体。从1919年第一个人工驻极体制备出来之后（驻极体. 2001.科学出版社），相继发现了很多优秀的驻极体材料，其中就有量大面广的石油化工产品聚丙烯。工业生产中，一般使用电晕驻极的办法给聚丙烯熔喷布注入电荷，如图10所示（RSC Advances 2018, 8 (15), 7932-7941.），注入其中的电荷在常温下会非常持久的待在熔喷纤维里面。聚丙烯纤维中的电荷主要分成两种，一种是比较容易跑掉的电荷，70℃左右就会跑掉，另一种是在材料中比较稳定的，这部分电荷就需要达到100℃以后才会慢慢的跑掉（physica status solidi (a) 1987, 100 (1), 143-147；Journal of Physics D: Applied Physics 1993, 26 (4), 690-693）。好的驻极熔喷布，重要的特征是电荷在高温下还相对稳定。因为电荷有正负之分，所以驻极的时候可以使用正电压驻极也可以是使用负电压驻极，但是实验结果表明，负电压驻极后的电荷更加稳定（IEEE Transactions on Electrical Insulation 1992, 27 (5), 924-943；Journal of Electrostatics 2007, 65 (10), 667-671.），所以一般工业生产中都是用负电压驻极。在负电荷驻极的工艺中，注入到聚丙烯中的电荷以碳酸根离子和氧负离子为主（驻极体. 2001.科学出版社；IEEE Transactions on Electrical Insulation 1992, 27 (5), 924-943.）。图10：聚丙烯熔喷布制备和电晕驻极过程注入到聚丙烯中的电荷储存时间和聚丙烯材料的结晶程度有很大的关系，结晶度越高，注入的电荷越多，电荷也越稳定。有研究人员用容易结晶的等规聚丙烯和不结晶的无规聚丙烯以不同比例进行混合，发现等规聚丙烯越多，电荷在常温下的储存时间越长，甚至储存时间高达290天时，表面电势也只衰减了10%左右，如图11所示（IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2017, 24(5):3038-3046.）。图11：不同等规聚丙烯含量对电荷稳定性的影响三、口罩电荷是如何跑掉的有实验表明，存放了长达十年的N95口罩拿出来再做测试的时候还可以满足N95的技术标准（American Journal of Infection Control 2009, 37 (5), 381-386.）。作者所在的北京市口罩联合攻关组也对储存五年的某品牌N95口罩进行了测试，发现储存五年后，N95口罩在过滤效率方面依旧可以达标，但其静电吸附能力与新的N95口罩相比，确实有所下降。这说明在长期存放的过程中，聚丙烯驻极体中的电荷在耗散，但没有全部消失，聚丙烯纤维的机械性能也没有明显退化。当然，这些N95口罩都是来自于知名厂商。图12：存放5年N95口罩静电吸附性能如前所述，口罩中的电荷对其过滤效率有重要的改善。驻极体的一个重要的特征就是电荷驻扎寿命长，但电荷会因为外界环境因素的影响而逐渐耗散，甚至大量丧失。口罩中电荷的耗散是一个非常复杂的过程，目前看，湿度（Journal of Physics: Condensed Matter 2004, 16 (3), 455-464.）、温度（IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2017, 24 (2), 774-783.）、时间、接触的化学物质及颗粒物等均会影响电荷的耗散。在常温储存状态下，湿度的影响较为明显，如图13所示（Journal of Physics: Condensed Matter 2004, 16 (3), 455-464.），较高的相对湿度下，电荷耗散的更快一些。图13：湿度在常温储存条件下对电荷剩余比例的影响可以确定的是，口罩中电荷的衰减是先从那部分“意志不太坚定”的电荷开始的，而另一部分电荷是不太容易衰减的。大量研究表明，注入到聚丙烯纤维中的电荷是分两段衰减的，较为稳定的电荷只有被加热到100℃以上，才会开始减少，如图14所示（physica status solidi (a) 1987, 100 (1), 143-147；）。图14：聚丙烯中两种电荷随温度衰减关系及含量作者团队也做了相关的研究，在不同温度下对口罩进行了100分钟的热处理，而后测试过滤效果，结果如图15所示。可以看出，70摄氏度之后，口罩的滤效有小幅的下降，而在110摄氏度之后，口罩的滤效发生了较大程度的下降，这也说明了口罩中有两种电荷，且初始衰减温度不同。图 15：不同温度下热处理后的北化II代熔喷膜过滤性能卫健委推荐了75%的酒精可以消杀病毒，很有效。但是酒精对口罩聚丙烯电荷的消解却是很快的。比如酒精浸泡，会大大地降低口罩的阻隔能力（Aerosol Science and Technology 2015, 49 (10), 977-983）。作者团队的实验结果（图16）也证明了这一点。实际上，和酒精同属于醇类的异丙醇，去除口罩中电荷的能力比酒精还要强，这是因为异丙醇和聚丙烯的结构更加接近，更容易进入聚丙烯熔喷布中并和纤维表面亲密接触，通过溶胀效应拉大分子空间，使得电荷更快地跑掉（Polymer 2018, 145, 447-453.）。在ISO 16890（通用空气过滤设备）的测试标准中就是使用异丙醇脱除滤网中的电荷，来检测其单纯的机械过滤作用的。图16：热水及酒精消毒对北化II代口罩过滤性能的影响由于水对聚丙烯的亲和性非常差，因此，用一定温度的水来消杀病毒后是有可能确保电荷稳定存在的。由于温度对电荷散逸有一定的影响，作者团队测试了在蒸锅中湿蒸口罩以及用60-80℃温度区间的热水浸泡口罩，这两种方法都能够很好的消杀病毒，并且适合家用。研究表明，口罩在湿蒸中和热水中反复处理10次后，较酒精而言，均能良好地保持滤效，而热水消毒比湿蒸消毒保持率更高（如图17所示），因为热水温度比蒸汽温度低。图17：热水浸泡和湿蒸两种消毒方式对北化III代熔喷膜过滤性能的影响口罩在佩戴时会积累一定量的水份，这些水份中的离子浓度会高一些，可能会耗散口罩中的电荷；空气中的粒子在不断地被口罩纤维拦截的过程中也可能会消解一部分口罩中的电荷；佩戴过程中的反复呼吸以及摘戴，也可能会对纤维堆积结构产生局部扩孔的影响。作者团队在实验中发现，佩戴后的口罩滤效确实会明显下降（如图18），而且因人而异，导致滤效数据离散性大。也就是说佩戴行为对口罩的过滤性能是有明显影响的。因此在口罩重复利用的过程中不仅需要选择初始滤效较高的口罩还需要充分考虑佩戴后滤效的保持能力。图18：某品牌口罩和北化III-1代口罩佩戴24h前后滤效的变化干燥处理对于驻极聚丙烯熔喷布而言，既是一个移走水份的过程，又是一个使熔喷布静电吸附性能恢复或者说再生的过程。干燥处理可以采用自然晾干或电吹风吹干，电吹风能够迅速移除水分，更快速恢复纤维的静电吸附能力，每天佩戴口罩超过4小时的人群、潮湿地区和潮湿天气佩戴人群以及重体力劳动者推荐使用此法快速干燥。尽管聚丙烯纤维与水份的亲和性很差，但佩戴过程中人的哈气可能会使聚丙烯熔喷布的静电吸附能力受到影响，建议单次佩戴口罩时间不要超过4小时，4小时佩戴后如还需佩戴，要自然晾干或吹干一下，及时移走水份，也可以用电吹风快速吹干。佩戴当天晚上可以用文末推荐的方法进行消杀处理。四、如何制造高性能的可重复使用口罩？可重复使用民用口罩的生产与制造的意义是多重的：可以应对大范围疫情引起的口罩荒；可以节约资源；可以减少环境污染等等。要做到口罩的可重复使用，有两点是很关键的，一是口罩要耐受多次佩戴对性能的弱化，二是要耐受多次消毒清洗对性能的弱化。如果还能做到对人体无害的高抗菌抑菌，甚至抛弃后还能堆肥或自然降解（特指民用口罩，医用口罩需要按照医用垃圾处理），那就更有意义了。目前，在疫情期间出现了不少新材料口罩，主要是纳米纤维膜作为滤材的口罩，可以不依赖于静电吸附机理，滤效的稳定性应该更高，在可重复使用口罩上有很大的应用潜力。但是也面临着诸多挑战，包括高成本问题，高滤效与低呼吸阻力间的矛盾或者说低呼吸阻力与必要的膜强度间的矛盾，作为医用口罩时的人体毒性检测等等。相信这些问题在科学家与产业界的努力下能够很好地解决。聚丙烯熔喷布量大面广，成本低，疫情之前价格为3万元/吨左右。如何进一步提升熔喷布的荷载电荷能力、电荷抗环境衰减能力、人体无害抗菌能力等，是重要的研究方向。当前，作者团队在北京市科委和国家科技部的大力支持下，与山东道恩高分子材料股份有限公司、北京联合康力医疗器械有限公司、北京铜牛集团有限公司等联合攻关，在可控自由基降解技术、驻极剂复合体设计技术、抗菌技术、防老化技术等上获得了重要进展，在熔喷布纤维结晶结构与性能、纤维直径、堆砌密度和驻极参数等上进行了重点研究。经过日夜奋战，已经开发出新一代聚丙烯熔喷料和熔喷布，受到市场的广泛好评，为基于聚丙烯材料的可重复使用民用口罩的制备提供了重要的理论支撑和技术支撑。五、如何保证可重复使用口罩产品有规可依？口罩到底能不能重复使用？什么样的口罩重复使用才能保证防护安全？重复使用多少次为佳？重复使用时的注意事项是什么？这些问题在此之前，均无科学依据和标准依据。然而大家在口罩匮乏时可能会自发地重复使用一次性口罩，虽然一定程度上缓解了口罩荒，但也带来了自身防护风险。从目前的研究数据看，某些口罩是不具备多次使用的能力的。作者团队对疫情期间在北京市场上购买的多款医用外科口罩进行了过滤效率测试（采用GB2626-2019标准）。发现其中一些口罩初始性能已经很低，经过佩戴和消毒后可能不能进行重复使用（图19）。图19：几款国内市售口罩过滤效率和北京化工大学自研口罩对比国内外市场上也出现了一些标称“可重复使用”的口罩产品。然而，由于现有的口罩标准中对于口罩产品的佩戴时间、使用次数、重复使用后性能等与“反复多次使用”直接相关的技术指标并无明确的规定和要求。这就导致可重复使用口罩存在无标可依的现象，不利于保障消费者的身体健康安全，也不利于大众消费者选用和市场监管，因此有必要编制一套标准予以规范口罩的“可反复多次使用”。在北京市的大力支持下，北京服装纺织行业协会紧急成立工作组，开展《可重复使用民用口罩》团体标准编制工作，按照团体标准快速制定程序，由北京化工大学作为主编单位，北京时尚控股有限责任公司、山东道恩高分子材料股份有限公司、北京市医疗器械检验所、北京市劳动保护科学研究所、北京市环境保护科学研究院、中国人民解放军疾病预防控制中心、北京市标准化研究院、北京市疾病预防控制中心、北京联合康力医疗器械有限公司、北京铜牛集团有限公司、彤程新材料集团股份有限公司、北京橡胶工业研究设计院、北京量子金舟无纺技术有限公司、中国复合材料学会、中国化工学会橡塑产品绿色制造专业委员会、郑州医美健康产业集团、北京泰纳科新材料科技有限公司等参编单位共同起草。日前，《可重复使用民用口罩》团体标准已通过专家评审，并于2020年4月13日正式发布（《可重复使用民用口罩》团体标准，T/BJFX 0001—2020）。该团体标准规定了机器模拟佩戴和真人佩戴后口罩性能的保持能力，要求可重复使用民用口罩应能够耐受正常佩戴，耐受制造商推荐的消毒、清洗及干燥处理，累计佩戴时长不低于24h，洗消不少于3次。佩戴不低于24h及洗消不少于3次后，口罩关键性能指标（单根口罩带与口罩体连接点处断裂强力、过滤效率、呼吸阻力、总泄漏率、通气阻力、呼吸阀盖牢度、微生物指标等）与新口罩的要求保持一致。通过该标准认证的口罩会在包装上标有“可重复使用民用防护口罩”或“可重复使用民用卫生口罩”字样，且每只口罩上会标有“可重复使用”或“RU”字样。这一类的经过认证的可以重复使用口罩也会很快投放市场的。对于满足可重复使用民用口罩标准的产品，假设每天只戴2小时，原则上可以戴12天，但最好当天或每隔1-2天用热水浸泡一次消毒杀菌。推荐重复使用方法针对此次新冠病毒疫情和采用量大面广的聚丙烯熔喷布作为阻隔过滤层材料的口罩，标准制订者建议制造商和消费者采用国家卫健委推荐的56摄氏度及以上的热水浸泡30分钟的方法或者蒸锅沸水湿蒸20分钟的消毒方法（不要用高压锅）。干燥可以采用自然晾干或电吹风吹干。由于口罩内的熔喷纤维布毕竟属于低强度材料，建议不要采用揉搓的方式进行洗涤消毒。在此致谢本文贡献者：武文杰、胡水、王丹、宫国卓、张明明、侯冠一 、万海肖、高科、陈青葵、陈文泉、张世甲、韩吉彬、张至宇、刘铭晖、李赛、洪崧 、刘军、 赵秀英 、杨卫民、田洪池、 卢咏来、 张立群、 陈建峰。以及此文贡献单位：北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，山东道恩高分子材料股份有限公司，北京化工大学生物医用材料北京实验室，北京市劳动保护科学研究所，中国安全生产科学研究院，北京联合康力医疗器械有限公司，北京铜牛集团有限公司，彤程新材料集团股份有限公司)。还有参与此文实验研究的其他志愿者：北京化工大学王润国博士、吴晓辉博士、叶欣博士、杨海波博士、田明博士、周鑫鑫博士、乔博博士、李凡珠博士、温世鹏博士。

关键词：口罩,电荷,过滤,聚丙烯,重复使用,静电,佩戴,效应,纤维,熔喷布

导读： 近年来，兼具力敏传感能力和纤维形貌的压阻纤维在可穿戴传感器、电子皮肤和智能机器人等领域引起了广泛的研究和关注。与传统的薄膜状传感器相比，压阻纤维虽具有高柔性、质地轻、可编织和可集成等特点而表现出更多的可穿戴优势；但其尺寸较薄膜材料更小，使得压阻传感纤维往往具有比压阻薄膜更低的压缩灵敏度。为此，大量研究工作通过在纤维表面引入微褶皱结构，并利用多根纤维相互搭接的方式来实现灵敏度的调控。然而，受限于纤维一维的结构，目前构筑微结构的方法常采用对纤维“预拉伸-涂覆导电层-拉伸回复”的工艺流程。该方法不仅不利于微结构的大批量制备，而且所得微结构通常属于低密度、各向异性，导致对压阻纤维灵敏度的提升十分有限。此外，该工艺也常导致外部导电层和中心纤维之间的界面作用较弱。因此，如何大批量地开发同时具有高密度各向同性的褶皱结构和坚韧界面的高灵敏度压阻纤维仍然充满挑战。生活中我们经常会有这样的经验，手指长时间地洗浴或游泳后很容易起皱，出现皱纹（pruney fingers）。这是因为手指皮肤下的血管在水中发生收缩，进而引起指尖体积缩小；缩小的血管与表皮出现模量失配后，引起表皮形成脊形褶皱。有趣的是，起皱后手指可以帮助我们更好地抓住潮湿或浸没在水中的物体，就好像雨中的轮胎表面的纹路可以帮助排除路面的水分，从而实现在下雨天拥有很好的抓地力。受上述有趣的现象和其特殊的形成机制启发，华南理工大学刘岚教授课题组开发了一种由聚氨酯（TPU）纤维“核”结构和聚吡咯 (PPy)褶皱导电“壳”结构组成的新型核壳纤维“pruney fibers”。与血管收缩和表皮褶皱的形成非常相似，表面PPy各向同性褶皱的产生来源于TPU分子链的收缩和吡咯单体的同步原位聚合。而且，由于在该过程中PPy的生长是沿着TPU分子链原位进行并相互缠结，因此该方法获得的PPy@TPU核壳界面具有很强的相互作用。而且，通过改变氧化剂的浓度可实现对各向同性PPy褶皱的波长（1.2-10.2μm）的精准调控。进一步，将不同的褶皱纤维进行搭接测试压阻性能。研究表明，具有 6 μm 褶皱结构的纤维具有高达0.15 kPa-1的高压缩灵敏度、47 ms的快速响应和高稳定性。最后，制备的压阻纤维被成功地应用于可穿戴运动检测和人机交互以控制电脑游戏，展示了它们在未来生物和医疗保健领域的潜力。图1 (a)表面皱褶结构的手指的数码照片。(b)手指表面皱褶形成过程示意图。(c, d) 表面褶皱纤维形成示意图。(e) PPy@TPU 褶皱纤维整体制备工艺示意图。图2 (a) TPU纤维、溶胀TPU纤维和PPy@TPU褶皱纤维的数码照片。(b, c) PPy@TPU褶皱纤维的C 1s (b)和N 1s (c)XPS高分辨率光谱。(d) PPy@TPU褶皱纤维的表面SEM图像。(e, f) PPy@TPU pruney 纤维横截面的SEM图像。(g)不同浓度APS制备的PPy@TPU褶皱纤维表面SEM图：(Ⅰ)2 mmol/L，(Ⅱ)5 mmol/L，(Ⅲ)10 mmol/L，(Ⅳ)20 mmol/ L。(h) 基于5 mmol/L的APS浓度的PPy@TPU 褶皱纤维的3D 形态。(i)不同浓度APS 产生的表面褶皱的波长 (λ)。图3 (a)基于不同APS浓度的纯TPU纤维和制备的PPy@TPU 褶皱纤维的机械性能。(b)不同浓度APS制备的PPy@TPU 褶皱纤维的表面电阻。(c)不同PPy@TPU 褶皱纤维随应变的电阻变化；插图是前75%形变下的电阻放大图。(d) PPy@TPU 褶皱纤维表面在100%应变下的SEM图，显示出沿应变方向的高取向和孤立的裂纹结构。(e, f) 裂纹的放大SEM图，证明了核壳间的坚固界面。(g)使用两个褶皱纤维组装压阻纤维的示意图。(h) 不同压阻纤维相对电阻随压力的变化，通过在不同 APS 浓度下反应获得。(i)压阻传感机制的示意图。(j, k) 压阻纤维的SEM图显示表面褶皱的接触情况。(l)灵敏度与报道的压阻纤维的压缩灵敏度对比。该工作以《Pruney fingers-inspired highly stretchable and sensitive piezoresistive fibers with isotropic wrinkles and robust interfaces》为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，第一作者为华南理工大学陈松博士，通讯作者为华南理工大学刘岚教授。本研究得到了广州市科技计划重点项目和国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721045812

关键词：纤维,褶皱,TPU,PPy,压阻,表面,结构,浓度,灵敏度,制备

导读： 混凝土是一种令人难以置信的材料，没有它，现代世界就不可能存在。但它并不完美。它需要加固以在张力下保持稳定，并且它可以对热量产生负面反应。当混凝土结构被火加热时，混凝土中的水分会变成蒸汽并导致混凝土爆炸性地分裂，这种现象称为剥落现象。桥梁出现剥落现象会削弱结构并导致坍塌。近日，英国谢菲尔德大学的科研人员发现，如果在混凝土混合物中添加聚丙烯纤维，纤维就会熔融，在整个材料中形成微小通道构成的网络，让蒸汽从混凝土中逸出，从而防止剥落。“由于纤维很小，它们不会影响混凝土的强度或刚度，”该研究的一篇论文的主要作者黄珊珊（音译）表示，该研究周二发表在《Fire Technology》杂志上。尽管聚乙烯是世界上第二大最常见的热塑性塑料。但聚丙烯的生产需要消耗大量的能源和资源。科学家们为此需要寻找一种经济实惠且更环保的解决方案。英国谢菲尔德大学的科学家们发现，通过拆除旧轮胎，他们可以使用被包裹在轮胎橡胶内部的纤维来添加到混凝土中，作为原始聚丙烯的替代品。他们只需要找到一种廉价而有效的方法来使纤维不含橡胶，不过，这说起来容易做起来难。科学家们正在与英国公司Twincon合作，找出如何分离纤维和橡胶，有效地将它们均匀地分布在整个混凝土混合物中。他们还试图确定纤维与混凝土的确切比例，以充分利用现有材料。从理论上讲，提取纤维将使剩余的旧轮胎的可回收材料（橡胶，钢圈等）可以重复使用。论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10694-019-00817-9

关键词：混凝土,纤维,科学家,现象,剥落,聚丙烯,橡胶,论文,添加,混合物