香港城大研發(fā)可抗菌的石墨烯口罩
新型冠狀病毒（COVID-19）全球肆虐，口罩成為抗疫重要工具，但不當(dāng)?shù)厥褂没驐壷每谡郑蛉菀自斐伞付蝹鞑ァ埂?strong>香港城市大學(xué)（香港城大）團(tuán)隊(duì)近日便研發(fā)出能抗菌的石墨烯口罩，抑菌效率達(dá)八成，若在陽光下照射10分鐘，更可接近100%。初步研究更表明，該口罩對兩種冠狀病毒有非常優(yōu)異的滅活能力。這種石墨烯口罩不但容易製造兼成本低，更可用纖維、紙張等含碳的生物質(zhì)材料為原材料，有助解決口罩原材料緊張和棄置後難以分解的問題。
該項(xiàng)研究由香港城大化學(xué)系助理教授葉汝全博士與合作團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。研究結(jié)果已在學(xué)術(shù)期刊《ACS納米》（ACS Nano）上發(fā)表，題為〈Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask〉。
目前常用的外科口罩沒有抑制或殺滅細(xì)菌功能，觸摸口罩受污染的表面或不當(dāng)?shù)貤壷脮r(shí)，有機(jī)會造成病菌二次傳播，而且用作過濾細(xì)菌的熔噴布（melt-blown fabrics）難以分解，對環(huán)境造成影響，於是科研人員都在探索以其他材料來製成口罩的可行性。
以激光轉(zhuǎn)化材料為石墨烯
葉博士一向從事把「激光感生石墨烯」（laser-induced graphene）應(yīng)用於開拓可持續(xù)能源的研究。在美國萊斯大學(xué)攻讀博士時(shí)，他參與其導(dǎo)師領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，便首創(chuàng)以市面上可買到的二氧化碳紅外線激光系統(tǒng)，直接照射含碳、熱穩(wěn)定性高的聚醯亞胺（polyimide, 一種常用的聚合物塑膠材料）薄膜，改變了材料的結(jié)構(gòu)後產(chǎn)生立體的多孔石墨烯，因而稱為激光感生石墨烯。
由於石墨烯具有抗菌功效，於是早在去年9月，即新型冠狀病毒尚未爆發(fā)時(shí)，葉博士便想到用激光感生石墨烯來做口罩，希望在功能上更勝一般口罩，遂帶領(lǐng)香港城大團(tuán)隊(duì)，聯(lián)同來自香港科技大學(xué)和南開大學(xué)等的研究人員展開研究。
抗菌效能優(yōu)異
團(tuán)隊(duì)以大腸桿菌測試這款石墨烯材料的抗菌效能，發(fā)現(xiàn)抑菌效率達(dá)82%左右，而普通口罩常用的活性碳纖維（activated carbon fibre）和熔噴布則分別只有2%和9%。他們的研究亦發(fā)現(xiàn)，九成以上沾在後兩者表面的大腸桿菌在8小時(shí)後仍存活，而沾在石墨烯材料上面的則大部分已死去；而且石墨烯同樣能有效殺滅氣溶膠裡的細(xì)菌。葉博士表示，石墨烯令細(xì)菌死亡的具體原因仍有待進(jìn)一步研究，但相信與細(xì)菌的細(xì)胞壁被石墨烯銳利的邊緣破壞，以及疏水的石墨烯加速細(xì)菌脫水致死有關(guān)。
考慮到有研究指，高溫可令新型冠狀病毒失去感染力，團(tuán)隊(duì)便利用石墨烯吸光後能夠產(chǎn)生高溫的光熱效應(yīng)，進(jìn)行測試。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯材料受太陽光照射十分鐘，其抑菌效率可提升至99.998%，而活性碳纖維和熔噴布則分別僅約67%和85%。
團(tuán)隊(duì)目前正與內(nèi)地的實(shí)驗(yàn)室合作，以兩種人類冠狀病毒來測試這種激光感生石墨烯材料。初步結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在陽光照射下，激光感生石墨烯材料可於5分鐘內(nèi)使超過90%的病毒失去活性，照射10分鐘，病毒滅活效率更接近100%，團(tuán)隊(duì)稍後將嘗試用COVID-19病毒進(jìn)一步測試。他們下一步的計(jì)劃是進(jìn)一步提升滅活病毒效率，和研製可重用的口罩，並希望研發(fā)出理想的結(jié)構(gòu)，待通過認(rèn)證測試後，盡快推出市場。
葉博士形容激光感生石墨烯乃突破性的「環(huán)保技術(shù)」，基本上含碳的材料，例如纖維和紙張等生物質(zhì)材料，都可採用這技術(shù)；而且可在室溫操作，除了原材料之外，無需使用其他化學(xué)物，既不造成污染，能源消耗也不多。他說︰「用這種石墨烯材料製作的口罩可以重用，而且若用生物質(zhì)材料來生產(chǎn)石墨烯，不但有助解決口罩原材料供應(yīng)緊張的問題，更可紓緩口罩不可降解對環(huán)境構(gòu)成的壓力。」
他表示，激光感生石墨烯的製作工序很簡單，每1.5分鐘可打印到100平方厘米的石墨烯口罩材料，用作口罩的表層或內(nèi)層；成本視乎所選的原材料，製成品價(jià)錢估計(jì)介乎外科口罩與N95口罩之間。他又指，技術(shù)可通過調(diào)節(jié)激光的功率來改變石墨烯孔的大小，使透氣度與一般外科口罩相若。
檢查口罩受污染程度的方法
為方便使用者檢查石墨烯口罩的保護(hù)性能有否隨著長時(shí)間使用而下降，團(tuán)隊(duì)又通過調(diào)控激光參數(shù)來控制石墨烯的表面特性，配以由他們研製、以呼吸的濕氣來發(fā)電的「濕氣發(fā)電裝置」（hygroelectric generator），去量度使用者呼吸所產(chǎn)生的濕氣穿過石墨烯口罩時(shí)，衍生的電壓的改變。實(shí)驗(yàn)證明，口罩表面積累的細(xì)菌和空氣顆粒物愈多，量度所得的電壓愈低，可藉此判斷口罩的污染程度。葉博士說：「至於多久要更換口罩，這準(zhǔn)則應(yīng)交由專業(yè)人士決定，但這方法不失為一個(gè)參考。」
團(tuán)隊(duì)用「濕氣發(fā)電裝置」量度呼吸所衍生的電壓的改變。（影片來源：DOI number: 10.1021/acsnano.0c05330）
葉博士是論文的通訊作者之一，其餘兩位通訊作者分別是香港科技大學(xué)的唐本忠教授與南開大學(xué)的朱春雷博士。論文第一作者是葉博士的博士生黃麗蓓。同樣來自香港城大化學(xué)系的研究成員還有徐絲雨、蘇建君和宋雲(yún)。其他團(tuán)隊(duì)成員分別來自香港科技大學(xué)和南開大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，以及卡羅琳醫(yī)學(xué)院劉鳴煒復(fù)修醫(yī)學(xué)中心的陳斯杰博士。
這項(xiàng)研究獲得香港城大與南開大學(xué)的資助進(jìn)行。