科大研发全球最坚固的聚合物纳米薄膜

为生物医学及环境等多个范畴的应用开拓新领域 

21-12-2020

香港科技大学(科大)的研究团队研发了一种极薄的聚合物纳米薄膜。这块薄膜不仅较同一质量(mass)的不锈钢坚固二十五倍 ,同时亦具备透明、透气及防水特质,更可调教当中的气孔大小,适用于制造可穿戴式装置、医疗防护产品、海水淡化滤膜、太阳能电池及应用于其他前沿科技上。

自新型冠状病毒病疫情出现以来,由科大化学及生物工程学系教授及科大(广州)先进材料学域署理主任高平教授所带领的团队,便已积极研究如何利用他们的高性能新物料,制造一个既透明亦透气的口罩。经过数月的努力,研究团队终于制成一个原模,并透过进行与NIOSH NaCI (N95呼吸器测试标准) 同等水平的测试,证明口罩对病毒、细菌以及其他粒子的过滤效率高达百分之九十九。

高教授说﹕「这种纳米材料拥有庞大的潜力,但由于疫情肆虐,我们近月集中研究将纳米薄膜应用到制作一款不仅透气度高、且有高效隔菌功能的透明口罩。据我们了解,现时尚未有一款口罩能同时兼备三个条件。虽然市面流行的不透明口罩能保护配戴者减低感染机会,但对透过读唇或面部表情沟通的听障人士,以及依赖面部表情辅助教学的老师、照料小朋友的保育员或演艺人员等,却造成不便和影响。」

除口罩以外,研究团队亦已就纳米薄膜在其他范畴的应用申请了六项专利,当中包括用于海水化淡的纳米滤膜。纳米薄膜可调教气孔大小的特性,令有关产品成为目前全球最强效的膜蒸馏法(membrane distillation)海水淡化聚合物滤膜,化淡效率不仅较市面现存产品高出十倍,亦是世界记录近三倍。

纳米薄膜贴服、防菌、透明而坚韧的特质,令其成为不同生物医学应用的理想材料。例如用作制造无需每天替换、并可在伤口上直接涂药的新一代伤口敷料。高教授指﹕「这种敷料对于大范围烧伤的病人尤其有效,能暂时成为他(她)们皮肤的替代品,医生可于敷料上直接涂药,药物便会渗透至伤口底层。加上敷料具备良好防水性能,病人贴上敷料后即使洗澡亦无须担心伤口会碰到水。」

纳米薄膜也可成为更佳的传感器(motion sensor),用作感测人体动作或设计机械人动作等。除了生物医学及环境范畴,纳米薄膜亦可用于电子仪器上,例如经纳米薄膜传声的高音质喇叭器材、超薄电池以及高能高储量的电容器等。

团队研发的纳米薄膜,厚度只有二十纳米(较千分之一根头发还要薄),是由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)所制成。UHMWPE是一种可用于制作避弹衣的轻型材料,但利用传统的通过将材料沿着相反的方向拉伸,以改变其内部无序和缠结的高分子链的固有取向,进而降低膜厚度的方式很容易令材料断裂。

不过,高教授却找到了松解纠缠分子链的方法。正如使用护发素令头发顺滑一样,研究团队把UHMWPE放入一种润滑剂中,将之变成凝胶状,结果不但提升了物料的可拉性(drawability),亦有效防止其分子链「打结」。团队随即重新调整分子链,将它们排序成一个坚固物料独有的三角形结构。

高教授的博士生顾其傲及科大设计与制造服务所的张树君和李清协助设计及制造了纳米透明口罩。

 

1. 当「强度」(strength)一般被理解为材料在一个单位面积所承受的力度时,比强度(Specific strength)是会考虑到材料的密度及重量。例如钢及钛可以在一个单位面积承受同样的力度,但因为钛的重量较轻,所以有较高的比强度。比强度在航天科技领域尤其重要,因为制造飞机尤其需要轻身及坚固的物料。

2. NaCI是美国国家职业安全卫生研究所认可的一项验证N95呼吸器的测试,以评估不同过滤物料的粒子穿透力及空气阻力。这项测试较美国食品药品监督管理局所认可的外科口罩测试更为严谨。
高平教授(左二)、其博士生顾其傲(右二),以及科大设计与制造服务所的张树君(左一)和李清(右一)
高平教授(左二)、其博士生顾其傲(右二),以及科大设计与制造服务所的张树君(左一)和李清(右一)
高教授团队研发的聚合物纳米薄膜
高教授团队研发的聚合物纳米薄膜
利用这种新聚合物纳米物材料制造的口罩,不但透明透气,亦能隔绝病毒和细菌
利用这种新聚合物纳米物材料制造的口罩,不但透明透气,亦能隔绝病毒和细菌
纳米薄膜可调教气孔大小,因而成为目前全球最强效的海水化淡蒸馏膜,化淡效率更较世界记录高出近三倍
纳米薄膜可调教气孔大小,因而成为目前全球最强效的海水化淡蒸馏膜,化淡效率更较世界记录高出近三倍
纳米薄膜可调教气孔大小,因而成为目前全球最强效的海水化淡蒸馏膜,化淡效率更较世界记录高出的三倍
纳米薄膜可调教气孔大小,因而成为目前全球最强效的海水化淡蒸馏膜,化淡效率更较世界记录高出的三倍
经纳米薄膜传声的高音质喇叭器材
经纳米薄膜传声的高音质喇叭器材
纳米薄膜可用作制造高敏感度的动作传感器
纳米薄膜可用作制造高敏感度的动作传感器
纳米薄膜(左)较市场现有的伤口敷料更为贴服
纳米薄膜(左)较市场现有的伤口敷料更为贴服