透明空气滤材（Transparent Air Filter，TAFs）兼具高透光率与高效颗粒物捕获能力，在室内空气净化、个人呼吸防护及透明医用敷料等领域具有广阔应用前景。例如，TAFs可用于防霾透明纱窗，在不消耗电能的情况下阻止室外颗粒物进入室内，从而提升室内空气质量；也可以制成透明口罩或伤口敷料，便于医护人员及时观察患者状态，提高医疗质量。
然而，传统TAFs为提升透光性能，通常需减小纤维直径和滤材厚度，但这会牺牲其机械强度和过滤性能，导致在使用过程中易发生破损，进而引起过滤效率下降。与此同时，传统滤材普遍存在 “高效过滤” 与 “低气流阻力” 难以兼顾的固有矛盾。因此，如何在实现高光透过率与优异机械性能的同时，协同实现高效过滤与低过滤阻力，仍是当前该领域亟待突破的核心技术瓶颈。
近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭团队在期刊《Small》上发表题为“Bio-Inspired Design of Robust, Transparent Nanofibrous Air Filters for High-Efficiency Particulate Matter Capture”的研究成果。论文第一作者为博士研究生郭朝阳和特别研究助理陈江萍博士，通讯作者为钟鹭斌研究员和郑煜铭研究员。蜻蜓翅膀在保持轻薄透明的同时，兼具出色的强度和稳定性，其关键在于独特的多维骨架结构。受此启发，研究团队提出了“1D–2D–3D协同仿生设计”策略，借助双喷头静电纺丝与空间调控电场沉积技术，成功构筑了一种仿生透明纳米纤维空气滤材（Bio-inspired Transparent Air Filter, B-TAF），该材料具备高透光、高过滤效率、高机械强度和低过滤阻力（图1） 。
图1 B-TAFs的制备示意图
一维（1D）双峰直径分布，协同优化透光、过滤与强度（图2）：团队选用热塑性聚氨酯（TPU）与聚酰胺-6（PA-6），通过双喷头静电纺丝构建双峰直径分布纤维层。其中，粗TPU纤维（362 nm）提供机械支撑，超细PA-6纤维（62 nm）强化颗粒物拦截；得益于PA-6纤维直径接近空气分子自由程，表面滑移效应有效降低了气流阻力。该设计使滤材在保持>70%透光率的同时，对PM0.3的过滤效率高达98.50%。分级过滤测试与模拟分析表明，粗细纤维协同作用可有效缩小最易穿透粒径（MPPS）区间，提升对该粒径范围颗粒物的去除能力。
图2 纤维直径调控对过滤性能和透光性能的影响
二维（2D）疏密不均空间分布，强化透光与力学性能（图3）：通过调控接收基底表面粗糙度，改变静电纺丝过程中的局部电场分布，诱导纳米纤维形成疏密不均的沉积结构。采用P100砂纸制备的B-TAF，呈现出类蜻蜓翅膀的多尺度不均匀结构，可见光透过率最高达84.6%。稀疏区域降低气流阻力，致密区域保障结构稳定性，使滤材在保持高效过滤的同时拥有优异力学性能。
图3 2D类蜻蜓翅膀结构的TAF设计及过滤性能
三维（3D）蓬松多孔结构，显著降低过滤阻力（图4）：通过调节接收基底的导电性，利用非导电基底表面电势高、电场强度低的特点，诱导纤维表面电荷积累，抑制纤维紧密堆叠，从而形成纤维间距更大、孔隙率更高的蓬松三维结构。该结构在保持>99.5% 过滤效率（PM0.3与PM1.0）的前提下，显著降低了过滤阻力，实现了高效与低阻之间的更优平衡。
图4 接收基材导电性调控优化过滤阻力
此外，研究系统解析了 B-TAFs 优异力学性能的来源，主要包括 TPU 纤维网络的本征强度、PA-6 纤维的应力分散作用，以及仿蜻蜓翅膀多级结构的协同增强效应。结合 TPU、PA-6 及 TPU/PA-6 复合纤维层拉伸前后的 SEM 形貌与力学性能分析，团队提出复合纤维层的三步断裂机制：PA-6 纳米纤维的变形与断裂，TPU 纳米纤维网络的逐步破坏和TPU 纳米纤维的最终断裂（图5）。其中，在 P100 粗糙基底上制备的 B-TAF 力学性能尤为突出，最大拉伸应变超过 232%，最大拉伸强度达 5.24 MPa，优于目前多数同类透明滤材报道值。
图5 TAF力学性能分析及比较
综上，本研究提出了一种仿生透明纳米纤维空气滤材（B-TAFs）的全新设计策略。通过借鉴蜻蜓翅膀多维多级结构，该策略有效破解了传统透明空气滤材在透光性、过滤效率与机械强度之间难以兼顾的技术难题。所构筑的 B-TAFs 兼具 70% 以上可见光透过率、99.50% 以上 PM0.3 与 PM1.0 过滤效率，以及优异的机械强度（拉伸强度 5.24 MPa，断裂伸长率 232%），在透明空气净化与个人防护领域展现出重要的实际应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.73237.
人物简介：
郑煜铭，二级研究员，博导，现任中国科学院城市环境研究所副所长，兼任厦门市人大城建环资委副主任委员、福建省环境科学学会副理事长和中国科学技术大学博导。长期从事污染防治功能材料、污染控制技术及工程应用等研究工作。近年承担国家重点研发计划课题、中国科学院先导培育专项课题、国家自然基金项目、省市重大科技项目等10余项。在Nat. Rev. Clean Technol.、Environ. Sci. Technol.、Water Res,、App. Catal. B: Environ.、Adv. Funct. Mater.和J. Membr. Sci.等本领域重要SCI期刊发表论文120多篇；获授权专利50多项，参编国家、团体标准3项；多项研究成果实现产业化应用，为企业创效数亿元；以第一完成人获中国侨届贡献奖、福建省科技进步奖、厦门市科技进步奖和发明奖各1项。
钟鹭斌，项目研究员，硕导，现任城市大气复合污染与控制研究中心副主任。长期从静电纺微纳纤维滤材设计及应用研究。近年承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金（青年/面上项目）、福建省及厦门市自然科学基金、企业横向合作项目等10余项。 已在Environ. Sci. Technol., Appl. Catal. B. Environ., J. Membr. Sci., Anal. Chem., small等国际主流期刊发表论文50余篇，撰写专著1部，获授权发明专利16项、PCT专利1项；成果荣获2021年厦门市科技进步奖二等奖；入选中国科学院青年创新促进会会员，以及福建省、厦门市高层次人才。
