自新冠疫情暴发以来，口罩已成为个人防护不可或缺的装备。目前市面上主流的N95口罩多采用熔喷聚丙烯纤维制成，并依靠静电吸附效应提升过滤效率。然而，这类口罩在潮湿环境中容易因电荷消散而失效，且使用后难以降解，造成严重的白色污染。尽管基于静电纺丝技术、使用可生物降解材料的口罩被视为潜在解决方案，但在实际应用中，如何在降低材料用量、提升佩戴舒适度和透明度的同时，保持甚至超越现有口罩的过滤性能，一直是科研人员面临的重大挑战。
针对上述问题，福州大学钟舜聪教授、厦门大学郑高峰教授和加州大学伯克利分校林立伟教授合作，提出了一种基于玉米醇溶蛋白的高性能口罩制备策略。该研究通过可控的射流分裂电纺工艺，成功制造出由精细分形纳米纤维构成的滤膜。这种口罩不仅超越了商用N95口罩的空气过滤性能，还将重量和厚度各减少了一半。更重要的是，纯玉米醇溶蛋白的组分使得口罩使用后可以回收再利用，为个人防护装备的可持续发展提供了全新思路。相关论文以“Semi-transparent and eco-friendly face masks for PM0.3 filtration via biomimetic-fractal nanofibers”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队首先揭示了射流分裂行为的关键机制。他们发现，与以往认为的高电导率导致库仑爆炸的解释不同，偶极力的强方向性应力集中效应才是引发射流分裂的根本原因。通过对比不同溶剂的玉米醇溶蛋白溶液，研究人员指出，低表面张力是诱导射流分裂的关键因素。实验中，采用8HAC/2ETOH溶剂的31wt%玉米醇溶蛋白溶液，其表面张力较低，在26kV高压和25μL/h的低供料速率下成功实现了射流分裂，形成了仿生分形纳米纤维（图1a左侧展示了玉米蛋白的来源，右侧则对比了射流分裂与拉伸两种行为）。相比之下，具有高电导率的FA/水溶液体系却未能发生分裂。这种仿生分形结构类似于自然界中的叶脉，不仅提升了过滤效率，还因材料用量的大幅减少而赋予了薄膜高透明度的特性（图1b左侧展示了自然界的分形几何与电纺制备的仿生分形纤维，右侧则示意了偶极力驱动的射流分裂机制）。
基于此机制制备的玉米醇溶蛋白膜展现出卓越的综合性能。如图1c所示，随着单位面积质量从2g/m²降至0.45g/m²，薄膜的透明度显著提升，甚至可以清晰看见其下方的厦门大学标志。研究团队将这种超轻薄膜（0.45g/m²）组装成口罩原型，其佩戴效果如图1d所示。与商用N95口罩相比，这款新型口罩的红外透过率和水蒸气透过率均显著提高（图1e），这意味着佩戴时呼出的热量和湿气能更快地散发。热成像图（图1f）进一步证实，佩戴新型口罩时面部的平均温度为33.2°C，明显高于佩戴N95口罩时的29.1°C，极大提升了佩戴舒适度。此外，得益于纯玉米醇溶蛋白的组分，废弃的口罩可以被重新溶解并再次加工成仿生分形纳米纤维（图1g），经过五次回收循环后仍能保持良好的性能。据统计，2020年至2022年间全球消耗了9000亿只口罩，这种回收策略有望在三年内节约近700吨玉米醇溶蛋白原料，减少超过6500吨二氧化碳排放。
图1：玉米蛋白分形纳米纤维的射流分裂形成与特性。 a（左）玉米蛋白是玉米的主要蛋白质；（右）静电纺丝后典型的射流分裂或拉伸行为。b（左）自然界中的分形几何和通过静电纺丝工艺制备的仿生分形纤维；（右）偶极取向射流分裂机制。c 在厦门大学标志上方展示的三种面密度分别为2、1和0.45 g/m²的玉米蛋白膜原型。d 基于0.45 g/m²玉米蛋白膜的口罩原型及其佩戴效果。e 不同口罩的红外透过率和水蒸气透过率。f 佩戴不同口罩时的红外图像。g 基于2020至2022年全球口罩消费统计数据的缺陷样品回收过程及其经济效益。e图中数据以均值±标准差表示（n=5），源数据以源数据文件形式提供。
为了精确控制射流行为，研究团队对电纺参数进行了系统分析。图2a清晰地展示了，对于31wt%的8HAC/2ETOH溶液，只有在高电压（26kV）和低供料速率（25μL/h）的条件下才能发生射流分裂并形成双峰分布的纤维；降低电压或提高供料速率则会导致射流转变为普通拉伸状态。进一步分析表明，溶液的粘度（图2b）和电导率（图2c）与射流行为并无一致的关联性，而表面张力则是决定性的分离因素：发生射流分裂的溶液表面张力均低于37mN/m（图2d）。例如，使用10HAC作为溶剂时，33wt%的高浓度玉米醇溶蛋白溶液因其表面张力低至34.98mN/m而成功发生分裂，而27wt%的溶液因表面张力较高（37.62mN/m）则仅能形成普通纤维（图2e）。如图2f所示，随着玉米醇溶蛋白浓度从29wt%增加至33wt%，溶液表面张力逐渐降低，R值（代表射流分裂程度）则显著增大，纤维直径分布也呈现明显的双峰特征，充分证明了低表面张力对促进射流分裂的决定性作用。
图2：静电纺丝射流行为与纤维形貌的实验分析。 a 以8HAC/2ETOH为溶剂的31 wt%玉米蛋白溶液在不同静电纺丝参数下的射流行为与纤维形貌。不同射流行为对应的静电纺丝参数：b 粘度；c 电导率；d 表面张力。e 27 wt%和33 wt%玉米蛋白溶液（10HAC为溶剂）的射流行为与纤维形貌。f 以10HAC为溶剂的29、31和33 wt%玉米蛋白溶液的表面张力，以及相应的纤维形貌（比例尺：2 μm）、R值（表示射流分裂程度）和直径分布（Da表示平均直径）。b、c、d图中数据以均值±标准差表示（n=5），源数据以源数据文件和补充表2形式提供。f图中数据来自n=200，源数据以源数据文件形式提供。
为了深入理解背后的流体力学机理，研究团队进行了电动力学仿真分析。图3a展示了表面张力对射流行为的显著影响：当表面张力为15mN/m时，射流表面出现复杂的波动和分散的局部电场，这是发生分裂的前兆；而当表面张力为25或35mN/m时，射流仅保持单一锥尖状态。在整个飞行过程中，表面张力为25mN/m的射流始终维持单峰状态（图3b），而表面张力为15mN/m的射流则持续波动并最终发生分裂（图3c）。令人意外的是，提高溶液电导率至500μS/cm（图3e）甚至2000μS/cm并不能引发预期的库仑爆炸，反而抑制了射流波动，形成单一锥形射流。相反，提高相对介电常数至60（图3f）则能在射流表面引发显著波动并形成多尖端结构。图3g和3h对比了偶极力与自由电荷力的作用差异：偶极力作用优先且分散，易在液面形成多尖端扰动和更强的应力集中，而自由电荷力则倾向于广泛聚集形成单一尖端，这一发现从根本上颠覆了对射流分裂机制的传统认知。
图3：模拟结果与电流体动力学行为分析。 a 不同表面张力下的射流行为及作用在其上的静电力。b 表面张力为25 mN/m时飞行过程中的射流体积分数；c 表面张力为15 mN/m时飞行过程中的射流体积分数。d 不同条件下的射流行为及作用在其上的静电力：表面张力为15 mN/m，其他条件如补充表3所示，该组作为对照组；e 对照组电导率提高至500 μS/cm；f 对照组相对介电常数提高至60。偶极力（FD）和自由电荷力（FI）诱导的电流体动力学行为示意图：g 界面波动；h 应力集中。Fs表示表面张力。
基于上述发现，研究团队提出了偶极取向电纺模型，并成功地在其他材料体系中验证了该机制的普适性。图4a示意了基于偶极力的射流分裂过程，即各向异性拉伸-撕裂。使用具有强偶极效应但电导率极低的ECA和ECB溶液进行实验，结果如图4b和4c所示：ECA溶液（中等表面张力）在射流界面先出现M形波动，随后波动点发生各向异性拉伸撕裂并形成次级射流；而ECB溶液（更低的表面张力）则因强烈的应力集中直接形成标准三角形射流，随后界面迅速发生分裂。更重要的是，通过向醋酸纤维素和聚甲基丙烯酸甲酯溶液中加入高偶极矩的茶多酚，研究团队成功诱导了射流分裂（图4d、4e），即使在原本不利的高表面张力、低电压、高供料速率条件下也能制备出仿生分形纳米纤维。图4f展示了偶极力对可纺性的影响：表面张力较高的ECA溶液在高电压下难以变形，处于紧绷但不射流的状态；而表面张力较低的ECB溶液则能顺利形成射流并发生分裂。此外，强偶极力还会导致射流呈现平面分布应力点，形成宽而平的带状纤维（图4g）。
图4：射流分裂行为的演化与分析。 a 基于偶极取向的射流分裂过程示意图，具有各向异性拉伸撕裂射流特征。在26 kV、20 μL/h、15 cm条件下的静电纺丝过程：b ECA溶液；c ECB溶液。在20 kV、50 μL/h、15 cm条件下的溶液图像和静电纺丝结果：d CA和CA/TP溶液；e PMMA和PMMA/TP溶液。f 在30 kV、20 μL/h、15 cm条件下ECA溶液（实线框）和ECB溶液（虚线框）的静电纺丝结果。g 在30 kV、50 μL/h、15 cm条件下PMMA/TP溶液的静电纺丝结果。FD和FS分别表示偶极力和表面张力。
最后，研究团队对制备的仿生分形玉米醇溶蛋白膜进行了全面的空气过滤性能测试。图5a和5b展示了不同单位面积质量下的过滤效率、压降和品质因子。当单位面积质量为0.45g/m²时，过滤效率达到99.81%，压降仅为56.2Pa，品质因子高达0.111Pa⁻¹，显著优于N95口罩。在不同气流速率下（图5c），玉米醇溶蛋白膜的过滤效率始终保持稳定（从99.95%轻微降至99.71%），而N95口罩的核心层则从98.11%显著下降至95.42%。在不同相对湿度条件下（图5d），当湿度从50%升至90%时，新型口罩的过滤效率几乎不变（仅从99.81%降至99.76%），而N95口罩则因电荷消散从97.08%骤降至92.98%。在120分钟的加载测试中（图5e），玉米醇溶蛋白膜的过滤效率始终保持在99.8%以上，展现了卓越的机械过滤稳定性。图5f和5g解释了其过滤机理：超细颗粒在气流线附近发生强烈布朗运动，更容易与细纤维碰撞沉积；而粗颗粒则被膜的孔隙直接拦截，粗细纤维的组合有效避免了压降的急剧上升。香烟烟雾测试（图5h）证实了其在实际应用中的有效性。最为重要的是，经过五次回收再加工后，该膜的品质因子仍能保持在0.1Pa⁻¹以上（图5i），彰显了其出色的可持续应用潜力。
图5：空气过滤性能测试结果。 不同面密度玉米蛋白仿生分形纳米纤维膜的结果：a 过滤效率和压降；b 品质因子。不同条件下的空气过滤效率：c 不同空气流量；d 不同相对湿度；e 不同测试时间。过滤机理示意图：f 超细颗粒；g 粗颗粒。h 过滤前后仿生分形纳米纤维膜的纤维形貌。i 多次回收重构后玉米蛋白仿生分形纳米纤维膜的过滤性能。a、b、c、d、i图中数据以均值±标准差表示（n=5），源数据以源数据文件形式提供。e图中数据以每分钟间隔采样，源数据以源数据文件形式提供。
总结而言，这项研究通过揭示偶极力在射流分裂中的主导作用，建立了一种全新的偶极取向电纺模型，成功实现了纯玉米醇溶蛋白仿生分形纳米纤维的高效制备。所制得的口罩兼具超高过滤效率、优异的光学透明度和佩戴舒适性，且材料可完全回收利用。尽管该研究在皮肤刺激性、生物气溶胶过滤以及生产效率等方面仍需进一步深入探索，但其为开发下一代高性能、环保型个人防护装备指明了方向，有望在保障公共健康的同时，显著减轻对环境的负担。
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