科学家研制电穿孔空气消毒系统：局部电场会破坏病原体的外部结构，使其失去活性

科学家研制电穿孔空气消毒系统：局部电场会破坏病原体的外

部结构，使其失去活性

现在的交通如此之发达，流行病不仅会对本地造成影响，甚至还会演变为全球流行病，给全球的政治和经济带来各种各样的改变。有一些空气传播病原体会成为严重的流行病并威胁公众健康，包括会导致人患上肺炎、哮喘和流感的病原体。

当一个人感染病原体时，该人会向空气中释放微米大小的气溶胶，其中含有有害细菌和/或病毒。释放病原体通常是不可避免的，因为呼吸、咳嗽和打喷嚏等日常活动会促进病原体释放到空气中。小直径（通常小于1 微米）的气溶胶部分可以传播数公里，因此它们可以对许多人构成威胁，尤其是在室内和封闭空间中。

让我们面对现实，病原体是日常生活的一部分，只要人类存在，病原体就会继续存在。防止其传播的最有效方法之一是通过空气中的微生物灭活。然而，常用的高效微粒空气 (HEPA) 过滤器不会使微生物失活。

HEPA 过滤器在过滤病原体方面非常出色。但是，如果这些过滤器中出现压降，则会阻止微生物失活。未灭活的微生物会导致过滤器出现问题，需要更频繁地更换。操作员不仅会接触到病原体，而且病原体还会被释放回空气中——使过滤器已经完成的工作无效。为了解决这个问题，科学家和工程师研究构建空气过滤系统，该系统可以灭活微生物以防止病原体传播。最近的一项发明称为电穿孔空气消毒系统，以下是该系统的三大技术特色。

1、电穿孔

电穿孔是一种物理过程，它依靠强电场来破坏病原体的外部结构

——例如细菌的细胞膜或病毒的衣壳。这些机制已经通过垂直堆叠在平面电极上的无机纳米线有效实现，产生高度局部化的电场。然后可以使用这种高度局部化的电场来灭活微生物。电穿孔驱动的消毒已被证实可用于水基系统中的病原体消毒。然而，直到最近出现新的研究，空气消毒系统还没有这样的发展，因为空气通风系统中更快的流速带来了挑战。

2、摩擦纳米发电机 (TENG)

有许多不同的纳米发电机可以从不同的能源中产生电能。这些设备是能量收集设备，通常用于为无法通过市电充电的小型组件和设备供电。摩擦纳米发电机通常被称为TENG，是最广为人知的纳米发电机之一。TENG 的工作原理是通过接触带电和静电荷感应操作机制利用动能将周围环境的机械能转化为电能。

在接触带电机制中，TENG 中使用的材料在外部刺激下通过摩擦力带电。其次，静电荷感应将这些电荷分布在整个材料上。TENG 是具有高电压输出的轻型、低成本和自供电设备。它们引起了人们对空气消毒系统的极大兴趣，并且TENG 也已用于水基消毒系统。围绕空气流速以及TENG 是否适合为这些消毒系统供电的问题导致了一个研究小组最近进行了调查。

3、由 TENG 驱动的电穿孔空气消毒系统

来自韩国和中国的研究团队建立了一个自供电空气消毒系统，该系统使用电穿孔机制来灭活空气中的微生物。该系统由振动驱动的TENG (V-TENG) 提供动力。将此类消毒方法引入空气过滤系统的挑战之一是需要外部电源。然而，由于TENG 将空气的机械振动转化为电能，研究人员设法克服了这一问题。

通过使用铜纳米线，电穿孔消毒机制成为可能，局部电场会破坏病原体的外部结构，使其失去活性。系统设计辅助的电穿孔消毒机制加速了微生物的充电和捕获。

图 1：用于空气传播微生物的共振-振动驱动 (RV) 消毒系统的工作原理。

由于设计合理，空气消毒系统促进了微生物的运输，在0.025s内实现了99.99%以上的微生物灭活。微生物传输以2 m/s 的快速（即更具挑战性）的气流速率进行，并且仍然显示出这种微生物消毒性能。此外，只有极小的压降。该系统不仅克服了其他纳米线辅助电穿孔机制的速度限制，而且还表明有可能在商业通风系统中使用这种类型的消毒方法——这在之前一直存在争议和质疑。

随着病原体继续在世界范围内引起流行病，在不久的将来，很可能需要从纯粹的物理分离消毒机制转变为可以分离病原体并使其不活动的系统，因此它们不会构成进一步的风险。这些系统在商业上是否比长期存在的空气过滤系统可行还有待观察。其中很多最终取决于成本或消灭病原体的需要是否是可能在其通风系统中使用此类过滤器的公司、机构和政府的驱动因素。