一种可通过呼吸降低感染风险防护口罩

  摘要：传染病的迅速传播是一个全球性威胁，对人类健康、生计和经济稳定产生了不利影响，这在正在发生的2019冠状病毒病(COVID-19)大流行中得到了体现。即使戴上口罩作为防护装备，也很难直接对病原体进行消毒，这就促使了生物杀菌剂的开发。与此同时，重复呼吸会产生温度变化，其中热量被浪费了。本文提出了一种具有杀菌作用的ZnO纳米棒改性纸(ZNR-paper)复合材料，该材料1)集成在口罩上，2)收集呼吸废热能，3)促进活性氧(ROS)的热催化生成，4)具有抗菌和抗病毒性能。此外，研究了复合材料通过附着在曲面掩膜上产生的原位压缩/拉伸应变的高热释电性。在ZnO4四面体中，Zn-O键长和O-Zn-O键角的变化证实了弯曲复合材料中ZNR的各向异性畸变，从而导致极化态的增加，并可能导致以下的热电性。增强的热释电行为是通过高效的ROS产生和显著的生物保护。本研究探讨了预应变对ZNR纸热释电性能的影响，为压电/热释电材料的应用提供了新的思路。

  首先是对ZnO纳米棒改性纸(ZNR-paper)复合材料的制备，其过程如下所示：这使得ZNR-纸复合材料可以机械变形，并集成到一个弯曲的掩膜上。

  此外，还研究了ZNR纸的弯曲效应对热释电的影响(下图)，从结构上阐明了弯曲ZNR纸高热释电行为的起源，并通过对ZnO4四面体单元畸变的结构分析证明了这一点。

  ZNR-纸复合材料的热释电性能。A)用于抗菌和抗病毒活性的呼吸驱动、自供电热释电ZNR纸的概念说明。B)附着在强弯曲口罩上的ZNRs产生的拉伸和压缩应力

  另一方面，也证实其高效的ROS生成和显著的抗菌和抗病毒能力。

  抗菌性能

  抗病毒性能

  总结：

  1、开发了一种人体呼吸驱动的热释电ZNR纸复合材料，它可以集成在口罩上，用于生物保护应用。

  2、弯曲ZNR纸中改进的热释电通过调节电子能带促进ROS的产生，并获得了有效的抗菌和抗病毒性能。

  3、ZNR纸口罩通过清除人体呼吸产生的余热而获得的生物杀灭能力，可以成为全球对抗一般感染的高效工具。

  参考文献：

  Kim M J, Song Z, Lee C K, et al. Breathing‐Driven Self‐Powered Pyroelectric ZnO Integrated Face Mask for Bioprotection[J]. Small, 2022: 2200712.