蜘蛛の巣のような自己維持型静電ナノ構造ネットワークを用いたPMフィルターの開発

Spider-Web-Inspired PM Filters Based on Self-Sustained Electrostatic Nanostructured Networks.

• Shichao Zhang
• Hui Liu
• Ning Tang
• Sheng Zhou
• Jianyong Yu
• Bin Ding

抄録

粒子状物質（PM）汚染は、特に新興感染症の発生に伴い、深刻な公衆衛生上の問題となっています。しかし、現在のフィルターの多くは、かさばる上に不透明で、PM/病原体の遮断効率が低く、PM除去と通気性のトレードオフは避けられません。ここでは、クモの巣にインスパイアされたネットワークジェネレーター（SWING）エアフィルターを作成するために、ユニークなエレクトロスプレーネット技術を使用しています。テイラーコーンの動的な操作と、その放出された液滴の位相分離により、大規模な2D自己充電ナノ構造ネットワークの生成が可能となった。得られたSWINGフィルターは、エオリアン振動によって駆動される卓越した長距離静電特性を示し、PMの自己持続的な付着を可能にした。SWINGフィルターは、ナノワイヤー（直径12nm）からなるシュタイナーツリー構造の細孔（サイズ200～300nm）と組み合わせることで、高効率（99.995%以上のPM除去）、低空気抵抗（0.09%以下の大気圧）、高透明性（82%以上）、バイオハザード病原体に対する顕著なバイオプロテクション活性を示した。本研究成果は、環境・エネルギー分野での新しい繊維状材料の開発につながる可能性があります。

Particulate matter (PM) pollution has become a serious public health issue, especially with outbreaks of emerging infectious diseases. However, most present filters are bulky, opaque, and show low-efficiency PM /pathogen interception and inevitable trade-off between PM removal and air permeability. Here, a unique electrospraying-netting technique is used to create spider-web-inspired network generator (SWING) air filters. Manipulation of the dynamic of the Taylor cone and phase separation of its ejected droplets enable the generation of 2D self-charging nanostructured networks on a large scale. The resultant SWING filters show exceptional long-range electrostatic property driven by aeolian vibration, enabling self-sustained PM adhesion. Combined with their Steiner-tree-structured pores (size 200-300 nm) consisting of nanowires (diameter 12 nm), the SWING filters exhibit high efficiency (>99.995% PM removal), low air resistance (<0.09% atmosphere pressure), high transparency (>82%), and remarkable bioprotective activity for biohazard pathogens. This work may shed light on designing new fibrous materials for environmental and energy applications.

© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.