西北大学黄嘉兴团队：新涂层捕获气溶胶液滴丨CellPress对话科学家

物质科学

Physical science

近日，美国西北大学黄嘉兴教授团队利用常见的化妆品成分，设计了一种高效捕捉气溶胶液滴的涂层。涂层化学的设计中包含了以下优点，比如非破坏性，无色透明，对不同表面的化学组成与复杂形状的普适性，以及对添加剂的兼容性。同时该涂层与一般的表面处理方法相比，在能吸附更多的气溶胶液滴同时，具有在使用中防起雾，使用后防浑浊的优点。该涂层可将室内大量的闲置表面转变为俘获气溶胶的装置，也可以将在疫情以及复工之中所广泛使用的塑料面罩以及透明阻隔屏等公共卫生设备的功能得到显著提升。相关结果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上。

Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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这是一个基于物质科学原理以及个人护理用品开发的新策略，可望用于公共卫生相关领域，例如病区与隔离区内的总体防护，以及复工复产以后室内公共区域内的卫生管理，以增强现有的公卫举措，实现对呼吸道传染病传播的预防和控制。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者黄嘉兴代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请问黄教授，您的课题组以前并没有从事生物医学或者公共卫生方面的研究工作，能够分享一下，你们是怎样从这个新的方向入手，寻找相关的科研问题的呢？

黄嘉兴教授：

有不少人问过我们这个问题，回想起来有一些偶然性，不过这个转变过程也许有一些值得和大家分享的地方。自疫情暴发以来，我们课题组一直高度关注。课题组成员们虽然远在大洋彼岸，当时也没有直接受到疫情的威胁，但是包括并非华裔的成员在内，尤其是看到当时驰援武汉的青年“逆行者们”的新闻后，也都深为所动，产生了一种强烈的想做点什么的情绪。我记得在一次组会中，我随口问到，“Look at these incredible young people marching to Wuhan, if one day we are called upon, are we willing to drop what we do and help?” 有学生马上回答，“yes, I would! It is a much larger and more important problem than ourselves.”

受到这些年轻人的的鼓舞，也为了能让我们自己更好地应对，我买了一本病毒学的经典教材，邀请了一位学生和我一起突击学习了一下病毒学和相关公共卫生方面的基础知识，很快就体会到了“知识就是力量”，不仅我们自己对各种情况有了一定的分析能力，对个人防护有了信心，也能提出一系列的科学问题和假设。

比如有两个不得不再次提起的常识: 第一，病毒本身既不会主动攻击人，也不会在外界主动复制，是完全被动的依赖人类“引狼入室”，把它们引入自身去感染自己的。从材料科学的构效关系来看，病毒的结构真的是非常的精巧，但也十分的脆弱，很容易的被环境中的物理和化学作用所破坏而失去传染性。所以只要清楚的知道这些物理过程，控制不良卫生习惯，做好个人防护，就无需慌乱。第二，病毒本身尺寸大致在100纳米左右，主要通过病人呼出来的液滴来传播的，但是在此过程中，病毒是不可能以裸露的纳米尺度的单颗粒形式传播的。所以我们往往并不是在跟病毒纳米颗粒打交道，而是在跟仅包含少量病毒的微米级或者更大尺寸的飞沫液滴或者是飞沫核打交道（比如曾有人说任何口罩都挡不住100纳米的颗粒，所以戴口罩对防止新冠传播没有用，就是建立在错误物理常识上的一个错误说法）。这样一来，在思考相关的物理化学过程的时候（例如在设计抗病毒的表面或者思考口罩的过滤方式时），我们必须要将包裹病毒的液滴以及呼吸道的分泌物一起考虑。

从读教科书，查文献，到建立相关常识以后，我们就产生了许多与物质科学相关的科研问题。去年二三月份，我们有幸结识了武汉与上海的一批生物医学，新冠临床检测与诊治，重症救治以及公共卫生方面的专家，并与他们一起密集讨论，写出了一份倡议书［ACS Nano, 2020, 14, 3747，https://doi.org/10.1021/acsnano.0c02618］，希望更多的人来关注这方面的问题，也把一些物质科学方面的研究需要和研究想法与全世界同行们分享。

这篇Perspective发表之后，我们课题组自己开始尝试文中所提出的对液滴进行物理化学调控的想法。基本设想就是既然液滴是病原体的载体，那么如果能够通过物质科学的手段降低液滴的传染性，或者让液滴在空气中传播变慢变难，那就应该能够在隔离传染源和切断传播路径方面有所帮助。

我们前一篇关于液滴的化学调控方面的工作是去年十一月份发表在Cell Press的期刊Matter上面［2020, 3, 1791，https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.10.012］，其中的主要思路是用一个化学修饰过的无纺布来“掺杂”咳嗽打喷嚏时释放的液滴，使液滴在逃离的同时也顺便溶解负载于纤维上的化学修饰剂。然后随着液滴蒸发，化学修饰剂的浓度得以大幅提升，以实现抑制病毒活性的效果。通过使用疏松的无纺布，以及选用合适的化学修饰方法，实现对大量逃逸液滴的修饰，也避免在呼吸过程中将化学修饰剂吸入的效果。

在这个工作的过程中，我们观察到微观尺度的气溶胶液滴在与多种表面碰撞时，往往会被弹开，重新悬浮于空气中。结合我们日常生活中使用加湿器的经验，这让我们意识到液滴反弹是室内气溶胶浓度累积的一个因素。于是我们就划出了一个新的研究方向，开始设计能够俘获气溶胶的表面涂层。

CellPress：

您的团队是如何想到这一新颖独特的策略，过程中又有哪些新奇的发现？

黄嘉兴教授：

让气溶胶液滴在表面吸附而不弹开其实并不难，我们可以从大液滴与表面的接触过程中得到启发。使用手机的慢摄影功能就可以观察到，当液滴碰撞到疏水表面后会形变为一个圆饼状（此时与表面的接触面积最大），然后再弹性收缩回圆球状（与表面的接触面积最小）而最终离开表面。那么如果表面变得更亲水一些就可以在圆饼状的时候将水滴粘住，避免回弹。当然气溶胶液与表面碰撞产生的形变度会小一些，但是思路是类似的，也就是让表面变得更亲水一些。顺便说一句，在拍摄的时候我们发现小米手机（Mix 2）的慢摄影功能要远胜于谷歌和苹果的旗舰手机。

将表面变得亲水有很多种办法，但是结合到实际中的各种可能的使用情况，主要的挑战在于找到合适的表面处理策略，要使用方便，对各种表面普遍适用（比如要让涂层适应不同的表面，而不是对不同的表面采取不同的预处理来适应我们的涂层），对透明表面还要实现防雾抗浊，最好还要兼容不同的添加剂，以引入其他的功能。

最终我们团队里的成员利用个人护理用品中常见的一些成分，发展了基于聚丙烯酰胺—己二酸二癸酯（PAAm-DDA）和烷基糖苷（APG）一系列配方，终于实现了涂层在不同表面的普适性，并分别在有机玻璃和混凝土、木材、金属、玻璃和纺织品等材料上取得了预期效果。

令人欣喜的是，在玻璃塑料等透明表面上，引入涂层不改变透明度，能够吸附更多的气溶胶液滴，同时在液滴干燥以后还能够有更好的抗浑浊效果。这是对透明表面进行简单亲水处理所不能够达到的效果，也为这个涂层的实用打下了良好的基础。

CellPress：

请问黄教授，团队下一阶段的研究工作将会集中于哪些领域？预期将如何展开？

黄嘉兴教授：

我们本来准备对我们自己在说话，唱歌和咳嗽中释放的飞沫进行测试，但是我们最终被告知此类实验被归类为 human subject和medical device方面的研究，需要经过合理的Clinical trial设计与审批，以及美国FDA的批准才可进行。很遗憾，这已经远远超出了我们所能够掌控的时间和资源，所以在文中我们只能使用实验室里产生的模拟液滴。这些液滴比实际场景中的液滴浓度要高几个数量级，所以我们预测实际应用中，涂层的效果应该会更显著。

我们正在世界各地，包括在中国国内寻找合作伙伴进行这一方面的实验。同时既然文章已发表，我们的设计思路和结果就已经成为了公共知识产品，希望可以启发世界各地的科研人员去发展他们自己的版本，如果能够对他们所在地的疫情防控以及复工复产做一些微薄的贡献，这对我们来说就是最大的欣慰。

CellPress：

黄教授团队长期从事二维材料、有机晶体及金属纳米结构等材料的性能及应用研究，致力于进行材料学的基础科学问题研究以及新应用的探索，通过科研和教学来发展具有实际用途的新技术和新材料。请黄教授结合自身就学术研究和实际应用相结合层面，给出您的指导和建议。

黄嘉兴教授：

差不多10年以前，受到西北大学一些资深同事，尤其是Yip-Wah Chung教授以及材料科学领域的建立者之一Morris Fine教授的启发，我的研究哲学开始发生了转变，从关注个人的研究课题，开辟新研究领域，逐渐扩大到关注社会民生中的问题，后来也把课题组的名字改成了不含任何热门词汇的“Materials Innovation for Better Living”。这个转变让我欣喜地意识到，科学问题是无处不在的，只要我们放下本来就不该有的架子和身段，认真观察和体会社会，哪怕在日常生活中也可以提炼出很多优美的科学问题，完全值得我们花时间和精力去研究的。养成了这样的习惯，去年学生们特别关注新冠疫情并积极思考对策，也就不足为奇了。

近几年的一个例子，是18年发表在Chem上面的关于石墨烯染发剂的文章。这个工作从一开始想法的产生，到最终文章发表，甚至在引起了巨大的反响之后，都一直有一些善意的嘲讽与玩笑。我想也许是这个工作与常见的石墨烯高大上的应用反差太大了，看起来有点不正经。但是可惜的一点是，绝大部分人并没有静下心来了解与思考染发这个事情中的科学问题，尤其是在其经历百年以来的演变后，所产生的精巧的化学设计，以及其中的无奈与妥协。当我们真正理解了不同染发策略的科学原理以及设计思路以后，其实可以看出，这些不同策略最终都会连接到石墨烯这个方向上去的。所以如果有人比我们更早关注这个问题，他们肯定早就会想到用石墨烯来做染发剂了，毕竟这世上比我们聪明的人实在是太多了。我也要顺便感谢一下Chem的编辑团队和审稿人，愿意发表这么“不正经”的文章！

其实这次的工作也受益于我们染发工作的积累。在疫情暴发的时候，我们组里负责染发工作的几位成员，都被迫呆在家里，不能来学校工作。后来其中几位自愿报名成为必要研究人员，来实验室帮助其他几位成员一起从事与防疫抗疫有关的研究。当我们意识到需要一种成膜性非常好的吸水涂层以后，Murat Kadir和于志龙博士很快就选定了护发产品中常见的聚电解质和表面活性剂，达到了超乎预期的效果。

论文作者团队介绍

黄嘉兴 

教授

黄嘉兴教授2004年于加州大学洛杉矶分校取得博士学位，随后于加州大学伯克利分校从事博士后研究工作。2007年起于美国西北大学材料系从事二维材料、有机晶体及金属纳米结构等材料的性能及应用研究。已于Nature Mater.、 Nature Nanotech.、 J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Adv. Mater等期刊发表论文140余篇，引用25,000余次。多次入选化学和材料领域高被引科学家。曾获斯隆研究奖、古根海姆奖、洪堡研究奖等多项重要奖项。 

黄嘉兴教授团队

Jiaxing Huang Group – – Materials Innovation for Better Living

https://jxhuang.mccormick.northwestern.edu/

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Droplet-capturing coatings on environmental surfaces based on cosmetic ingredients

▌论文网址：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00266-7

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.05.017

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