以色列科學家發明可重複利用口罩,USB連接手機充電器能消滅病毒

2020-12-16 DeepTech深科技

2020 年,新冠疫情襲擊全世界,截止北京時間 6 月 23 日,全球新冠肺炎累計確診超 908 萬,累計死亡人數 47 萬多人,在與病毒對抗中,口罩成為必不可少的防護工具。

據世衛組織最新的判斷,疫情至少還會持續很長一段時間,因此世界範圍內口罩的需求持續增長,是大概率事件。

這種情況也使口罩垃圾成了環境保護方面的一個重大隱患,因為我們現有的規範體系如我國的 GB 19083—2010《醫用防護口罩技術要求》、YY 0469—2011《醫用外科口罩》、YY/T 0969—2013《一次性使用醫用口罩》、甚至包括美國 FDA 和歐盟 CE 的口罩標準,全部只將標準的約束範圍聚集於口罩的防護性能,而對於口罩使用的材質並沒有特殊要求。

但是,現有口罩材料基本都是難以降解的聚丙烯,如果不能加以反覆利用,肯定會對於環境產生巨大壓力。

可以想像,如果還是以目前每天換一個到兩個口罩的速度來計算,不久全世界可能都將陷入另一個 「白色帝國」 的環境汙染危機當中。

為了多次利用口罩,很多 「機智」 的網友想了很多方案,如清洗、酒精消毒、微波爐消毒、紫外燈照射,蒸鍋蒸等等。

但對於新冠病毒,我們最需要關心的是口罩本身對於飛沫和病毒的過濾效率。清洗和消毒過程對材質的損害是不可預知的,比如口罩變形、頭戴部件老化、變松之後,會引起過濾效率下降和過濾層受損,最終導致口罩無法達到氣密性要求。

如果用消毒劑消毒,也會存在消毒成分殘留的問題。在當前的情況下,參照最新美國 CDC 對於口罩延長和反覆使用的建議,最有效的反覆利用口罩的方式就是合理保存,並在低溼度的情況下對口罩進行加熱,也就是說蒸氣消毒的方式是不合理的,水蒸氣會降低口罩對於飛沫的過濾度,而比較推薦的方式就是讓使用太陽光照射加熱方式來進行消毒。

由於新冠病毒無法在攝氏 40 度以上長期存活,因此這個方案還比較靠譜。就在近日,一組來自以色列理工學院(Technion – Israel Institute of Technology)的科學家宣稱,他們發明了一種使用方法十分簡單的可重複利用口罩:只需要將口罩連接上 USB 線和手機充電器,就可以在半小時內殺死口罩上的新冠病毒,實現口罩的再生。

團隊負責人 Yair Ein-Eli 教授宣稱,該可重複方法簡單方便,可以顯著緩解疫情期間的口罩產能不足、環境汙染等問題。

圖 | Figure 1 新型可重複利用口罩,只需要 USB 線和手機充電器,就可以實現口罩的再生。(圖片來源:The Technion - Israel Institute of Technology)

事實上,口罩並不是完全不可以再生利用。如果可以用簡單的辦法殺死口罩上的病毒,口罩的壽命就可以大幅延長。

口罩再生,既要殺滅口罩上的病毒,也要保證口罩的防護性能不會損壞。新冠病毒對高溫、紫外線敏感,乙醚、75% 酒精等消毒劑也能有效殺死病毒。

但對於普通家庭來說,高溫通常不好控制,紫外線設備也不是家家都有,而熱水和消毒劑雖然可以殺死病毒,卻也會破壞口罩的結構,讓口罩失效。

如果有可能,口罩最好還是不要再生,能及時更換新的口罩,是保證防護效果最好的辦法。

然而,擁有足夠多的可以及時更換的口罩,並不是一件容易的事情。據統計,僅 3 月至 5 月,中國出口的口罩數量就達 706 億隻,但卻遠遠不能滿足全世界的口罩需求。以美國為例,截止到上月下旬,仍有 66% 的醫務工作者所在的醫療機構存在口罩短缺的問題。

為此,不少研究機構都在想辦法延長口罩的壽命。在中國疫情最為嚴重的二月,北京化工大學陳建峰院士團隊就曾提出過一種簡單有效的口罩再生方法。首先,將一次性口罩置於 56°C 的熱水中消毒 30 分鐘;

之後,再利用電吹風等家用電器對口罩進行吹乾荷電處理,只要口罩可以吸附上紙屑,就可以確定它已經重新帶上了對於攔截病毒來說至關重要的靜電荷,恢復了其原有的功能。

而這次以色列理工學院 Yair Ein-Eli 團隊研發出的可重複利用口罩,則是目前為止使用方法最為簡單、所需設備最少的可再生口罩之一。

Figure 2 Yair Ein-Eli,以色列理工學院材料科學與工程系系主任。(圖片來源:Technion – Israel Institute of Technology)

其奧妙在於,他們在 N95 級別口罩中加入了一層不導電,但通電後可以發熱的碳纖維材料,並把這種纖維均勻、相互平行地鋪在了口罩的中間層上。當口罩連接上 USB 線之後,在電流的作用下,發熱纖維就會產生約 70°C 的溫度。

這樣的溫度並不會像蒸鍋、烤箱、微波爐一樣破壞口罩的結構,卻足以殺死附著在上面的新冠病毒。同樣也是半個小時,口罩就可以實現消毒,「獲得新生」。

Figure 3 USB 充電線就可以讓口罩達到 70°C 的溫度。負責產熱的碳纖維絲在紅外顯像下清晰可見。(圖片來源:Technion – Israel Institute of Technology)

Yair Ein-Eli 稱,除了手機充電器,汽車上的點菸器也可以用來給口罩消毒。利用上下班路上的時間給口罩消會毒,等到下車的時候,口罩就可以再次使用了。

Yair Ein-Eli 教授是以色列理工學院材料科學與工程系(Faculty of Materials Science and Engineering)的系主任,是一名知名的電池專家。疫情爆發之後,他發現不少工作人員的口罩一戴就是好幾天,因此,他開始思考如何利用自己的專業知識發明一種可以重複利用的口罩。他最早的思路是用電池來實現口罩的自加熱清潔,但電池會增加口罩的重量。

之後,他的思路轉向了使用充電器。但想要找到能夠兼容所有型號手機充電器的發熱材料,並不是一件容易的事情。他們測試了幾十種材料,並最終找到了正確的碳纖維材料,可以讓普通的手機充電器產生足夠高卻可控的溫度。

經過測試,他們發現,在經過每次加熱 30 分鐘、一共加熱 20 次的重複實驗之後,口罩的耐用性依然良好。研究人員相信,儘管加熱的次數不能是無限的,但幾十次應該沒有太大的問題。Yair Ein-Eli 教授已經在三月份為這個發明申請了美國專利,目前也正在積極推進這種口罩的商業化生產。

研究人員稱,這種可再生口罩的成本每隻會比常規 N95 口罩貴 1 美元(約 7 元人民幣)左右,考慮到其可以重複利用的特性,這樣的成本增加並不算多。而其更大的意義在於可以極大地緩解口罩的不足,同時降低大量一次性口罩對生態環境的影響。

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