口罩已成为应对环境污染问题时不可或缺的个人防护装备。目前主流使用的N95口罩主要由聚丙烯纤维熔喷驻极而成，旨在通过静电作用增强过滤效率。然而，其电荷极易在潮湿环境中耗散失效，且使用后难以降解，加剧环境负担。静电纺丝技术结合可降解材料的使用被视为有前景的解决方案。然而，如何在确保优异过滤性能的前提下，降低材料用量、提升佩戴舒适度和光学透明度，仍是当前的重大挑战。
近日，厦门大学郑高峰教授、加州大学伯克利分校林立伟教授、福州大学钟舜聪教授及邵尊桂副研究员等人合作，揭示了一种偶极作用诱导的荷电流体界面波动及其各向异性拉伸-撕裂机制，为电纺射流劈裂行为调控提供了新视角。基于此，成功利用纯玉米醇溶蛋白溶液实现仿生纳米制造，从而在纳米纤维少量沉积的情况下，集成超细颗粒过滤、高通量透气排湿及可见光通过等功能。这不仅有助于舒适、高效、交互便捷的个人防护，更提供了高性能及可再加工能力解耦的新范式，助力可持续发展。相关成果以“Semi-transparent and eco-friendly face masks for PM0.3 filtration via biomimetic-fractal nanofibers”为题发表在期刊《Nature Communications》。
图1 偶极作用下的电流体动力射流调控机制及仿生分形纳米纤维特性
通过空间映射正交分析法，揭示工艺参数-射流行为-纤维形貌相互作用规律。初步实验结果表明，低表面张力是诱导射流劈裂行为的关键参数之一，但高电导率并非必要条件，这打破了以往研究中诱导射流劈裂行为的高电导率路径依赖。
图2 射流劈裂行为及纤维形貌的实验分析
随后，结合电流体动力学仿真模型提出射流劈裂行为的界面波动诱导关键现象及其偶极作用机制。结果表明，射流界面多个波动点的形成是劈裂行为将要发生时的主要特征，这是由偶极力的分散式作用及强应力集中特性协同实现的。然而，由自由电荷引起的静电力往往集中在射流前端更为广泛的区域，反而抑制了射流波动，不利于形成射流劈裂。
图3 电流体动力射流行为仿真结果
基于上述现象，提出了偶极取向电纺模型。建立了严格的变量控制分析方法，通过观察射流时空分布行为，验证劈裂行为的波动点形成及其各向异性拉伸-撕裂演化规律，从而阐明了射流劈裂的偶极作用诱导机制，进一步拓展揭示了偶极作用诱导的射流无力、带状拉伸等广泛衍生行为。结果表明，高介电常数是诱导电纺射流劈裂行为的第二个关键参数，而高偶极矩材料或易诱导偶极材料是射流劈裂工艺的关键适配对象。此外，射流劈裂行为更可能是一种相对有序发展的过程，显著区别于普遍认为的瞬态爆发式“库伦爆炸”现象。这为电纺射流行为的高精度按需调控奠定了理论基础。
图4 电流体动力射流行为演化实验分析
最后，对所制备的仿生分形纳米纤维膜进行了全面的空气过滤性能测试，显示出两倍于商用N95口罩的效果。这得益于粗、细纳米纤维在流体动力及超细颗粒运动调控的协同。一方面，细纳米纤维由于滑移效应，具有更贴近纤维表面的流线，使超细颗粒更容易因强烈的扩散运动而发生碰撞沉积，而粗颗粒则被膜的孔隙直接拦截；另一方面，滑移效应使得气流更容易绕过细纳米纤维而降低阻力，粗、细纤维的组合有效避免了压降急剧上升。
图5 空气过滤性能测试及分析
总体而言，本研究揭示了电流体动力微纳喷射制造高效调控的偶极作用机制，成功实现了纯玉米醇溶蛋白仿生分形纳米纤维的高效制备，从而助力半透明且舒适的高性能环保口罩。这也为按需微纳制造及高性能、多功能器件高效成型提供了关键理论基础和应用支撑。
原文地址：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71413-z
人物简介：
邵尊桂（第一作者）
福州大学机械工程及自动化学院副研究员，工学博士，福建省高层次人才，主要研究方向为电流体动力微纳喷射制造及其个人防护、环境治理、电磁功能材料与智能传感等应用，以第一/通讯作者在Nature Communications, Carbohydrate Polymers, Journal of Hazardous Materials等期刊发表SCI论文20余篇，授权发明专利4项，获中国发明协会发明创业奖创新奖1项。担任Chemical Engineering Journal等20余个期刊审稿人，多次受邀担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology等多个期刊客座编辑或编委。
钟舜聪（通讯作者）
福州大学机械工程及自动化学院二级教授，曾任福州大学机械工程及自动化学院院长，现任福州大学人事处处长。近年来，先后入选国家级领军人才、国家百千万人才工程、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴专家、福建省高层次A类人才、福建省高层次引进创新人才、英国工程技术学会会士（IET Fellow）、国际状态监测学会会士（ISCM Fellow）、国际声学与振动学会会士（IIAV Fellow）、全球前2%顶尖科学家（终身科学影响力排行榜）。担任福建省机械工程学会副理事长、福建省力学学会副理事长、福建省机械工程学会无损检测分会理事长、中国振动工程学会理事/故障诊断专委会委员、中国机械工程学会设备智能运维分会常务委员等；担任《机械工程学报》等杂志编委、装备设计制造国家级实验教学示范中心主任、福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室主任。
林立伟（通讯作者）
加州大学伯克利分校机械工程系James Marshall Wells讲座教授，传感器与执行器研究中心（BSAC）共同主任，美国机械工程师协会会士（ASME Fellow），在微机电系统（MEMS）领域拥有23项美国专利，同时担任第24届微电子机械系统国际会议的总主席，目前担任IEEE/ ASME微机电系统杂志的共同编辑。主要研究方向包括微纳结构、传感器、执行器和微/纳米系统中的机械问题，涉及传热、固体/流体力学和动力学。
郑高峰（通讯作者）
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。
主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。
福建省杰出青年基金获得者、福建省“雏鹰计划”拔尖人才、厦门市“双百计划”领军型创业人才、福建省高层次人才。承担有国家自然科学基金面上项目、深圳市重大研究专项、福建省产学研合作重点项目、引导类重点项目等研究课题以及30余项企业委托技术开发课题。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，出版专著1本，专章4篇，作为第一发明人授权发明专利40余项，其中15项专利实现了产业转化应用。第一完成人获中国发明协会发明创新奖一等奖、福建省科学技术进步奖二等奖、厦门市科学技术进步奖二等奖各1项。
近年来，郑高峰教授团队已围绕电纺高性能空气过滤膜发表了一系列创新研究并整理综述2篇，涵盖了高性能空气过滤机制研究、纤维膜的双峰结构调控、生物基材料适配策略开发等方面，致力于推进高性能空气过滤膜的绿色制造：
1、电纺射流劈裂增强响应策略及其高性能抗菌空气过滤应用
ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(16): 18989-19001. doi.org/10.1021/acsami.2c04700
2、高性能、多功能电纺空气过滤膜与高性能空气过滤机制综述
Separation and Purification Technology, 2022, 302: 122175.
doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175
3、双峰纤维膜的表征与低电导率制备方法
Materials Today Communications, 2023, 34: 105014.
doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105014
4、液态小分子与醋酸纤维素的适配策略及其高性能抗菌驱蚊空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2023, 327: 124920.
doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124920
5、延缓挥发策略实现玉米醇溶蛋白纳米纤维膜高效成型及其高性能空气过滤应用
ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5(10): 8559-8569.
doi.org/10.1021/acsapm.3c01666
6、射流劈裂与不均匀拉伸协同的乙基纤维素双峰纤维成型策略及其高性能抗菌除醛空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 254: 127862.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127862
7、固态小分子分散性优化条件下乙基纤维素双峰纤维膜成型策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Science of the Total Environment, 2024, 909: 168654.
doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168654
8、基于固态小分子“柔化-牵引”机制的玉米醇溶蛋白射流劈裂增强策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2024, 341: 126893.
doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126893
9、基于溶剂不均匀入侵机制实现乙基纤维素双峰纤维膜在射流不均匀拉伸情况下的成型及其高性能空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 275: 133411.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133411
10、电纺双峰纤维膜的成型策略与空气过滤应用综述
Separation and Purification Technology, 2025, 358: 130417.
doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130417
11、基于小分子互助机制实现全生物基双峰纤维膜在射流协同拉伸下的成型及其高效抗菌空气过滤应用
Journal of Cleaner Production, 2024, 486: 144562.
doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144562
最小影响策略下全生物基实现高效过滤与超强抗菌双突破
Carbohydrate Polymers, 2025, 366: 123893.
doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123893
13、乙基纤维素/壳聚糖双峰纤维热处理增强实现高通量空气过滤
International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 318: 145202.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.145202
14、基于小分子屏障的持续电纺裂喷策略及其抗菌、防紫外空气过滤
Journal of Hazardous Materials, 2025, 496: 139454.
doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139454
15、用于高性能空气过滤和呼吸监测的纳米纤维膜绿色制备新策略
Separation and Purification Technology, 2026, 394: 137511.
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137511
