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对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

今天笔者要介绍的石墨烯新应用,可能会让不少人大跌眼镜。布朗大学的Huajian Gao和Robert H. Hurt等研究者在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表论文,表明干燥状态下的多层石墨烯薄膜可以有效保护人体皮肤不被蚊子叮咬。

不卖关子了,标题里提到的诺奖材料就是石墨烯。石墨烯可以称得上当今最“神奇”的材料之一:除了优秀的理化性质和超广的应用范围,这种材料2004年被首次剥离出来,6年之后的2010年就拿到了诺贝尔物理学奖,得奖速度在诺奖历史上也堪称神奇;除了对学术界带来的巨大影响,石墨烯对产业界的影响也非比寻常,产业化的速度和吸引投资的能力也堪称神奇。石墨烯的应用,大多在先进材料领域,但也不全是。X-MOL曾报道了不少脑洞大开的石墨烯应用,比如黄嘉兴(Jiaxing Huang)课题组利用石墨烯代替有毒的分子制备更安全的染发剂,无毒无副作用,不易褪色,还防静电(Chem20184, 784,点击阅读详细)。再比如Jonathan Coleman教授团队利用石墨烯和橡皮泥(没看错,就是小朋友爱玩的那种橡皮泥)制备了一种新型电力学传感材料,敏感度比同类金属基传感器高上百倍,甚至可以清楚记录一只20毫克的蜘蛛所爬过的每一步(Science2016354, 1257,点击阅读详细)。

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

石墨烯染发剂及石墨烯橡皮泥传感器。图片来源:Chem & Science

今天笔者要介绍的石墨烯新应用,可能会让不少人大跌眼镜。布朗大学Huajian GaoRobert H. Hurt等研究者在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表论文,表明干燥状态下的多层石墨烯薄膜可以有效保护人体皮肤不被蚊子叮咬。

看到这里,不少读者可能会说,“这很好理解啊。石墨烯力学性能那么好,蚊子可没法刺穿石墨烯薄膜来吸血吧。”听着似乎很有道理,另外,再仔细看下石墨烯的结构模型,有没有发现其实很像防蚊神器——蚊帐?都是六边型蜂巢状结构?都是薄薄一个单层?

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

蚊帐局部图。图片来源:某宝购物网站

但研究者对蚊子的行为学分析以及对穿刺现象的数学建模分析结果表明,石墨烯的力学性能并不是主要原因!真正的主要原因出乎意料——石墨烯薄膜能屏蔽蚊子的化学感应,让蚊子感应不到石墨烯膜下与皮肤相关的分子引诱剂。换句话说,干燥的石墨烯薄膜让蚊子“闻不到”它的目标,人类相对于蚊子就“隐身”了(这里提醒一句,下文一些插图可能会引起不适,密集恐惧症慎入)。

具体来说,研究者招募志愿者进行实验,先研究了多层氧化石墨烯(GO)薄膜的防蚊作用,并将多层GO薄膜(下图C下)和薄纱布(下图C上)以及裸露皮肤进行对比。结果表明,覆盖1微米厚的干燥状态(含水量21%)多层GO薄膜,能使志愿者在5分钟内不受蚊子(埃及伊蚊)叮咬,而其他志愿者被薄纱布覆盖的皮肤或者裸露皮肤在相同时间内被叮咬的次数为5-20次。心痛这些志愿者1秒钟,不过好在这些蚊子都是在实验室内培育的,不会携带病原体,除了痒之外不会带来其他更大的麻烦。

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

石墨烯薄膜的防蚊实验。图片来源:PNAS

研究者起初也认为,GO薄膜对人体皮肤来所就相当于一层物理屏障,从而起到防蚊的作用。但他们仔细观察蚊子的行为后,认为这个解释可能并不完全正确。蚊子接触GO薄膜的频率比裸露皮肤或者薄纱布要低不少,停留在GO薄膜上的时间也比裸露皮肤或者薄纱布短,而且蚊子即便停留在GO薄膜上,也没有做出要叮咬的动作。这就有意思了,蚊子似乎根本不知道它们的猎物就在那薄薄的一层GO薄膜下面。研究者们猜测,人体皮肤排出的二氧化碳、汗水和散发的气味这些会让蚊子“循着味道赶来就餐”的分子,可能无法透过GO薄膜,蚊子也就产生了“附近没有人”的错觉。

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

蚊子行为试验和叮咬抑制机制。图片来源:PNAS

为了给这一猜测提供数据支持,研究者用外表面沾上水或者汗水的GO薄膜和还原GO(rGO)薄膜进行实验。实验结果表明,过量的水或者汗水会吸引蚊子,增加蚊子接触湿润的GO薄膜的概率,也延长了它们的停留时间。研究者还发现了一个有趣的现象:蚊子能刺破湿润的GO薄膜,却不能刺破湿润的rGO薄膜。他们给出的解释如下:GO薄膜吸水和溶胀后形成水凝胶,更容易被刺穿,而rGO薄膜不会吸水和溶胀,能保持原有的力学性能,挡住蚊子的叮咬。

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

水或人类汗液对蚊子在石墨烯薄膜上行为的影响。图片来源:PNAS

蚊子的力量真的不能刺破石墨烯薄膜么?研究者又用注射器针头(针尖半径约9微米)模拟蚊子的口器进行测试,并建立了数学模型。相关结果表明,干燥状态下1微米厚的GO薄膜和无论干湿的rGO薄膜都可以完全抵挡蚊子的攻击。

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

穿刺实验及数据建模分析。图片来源:PNAS

研究者表示,他们研究这个课题是希望提供一种除了化学驱蚊剂之外的防蚊措施,毕竟驱蚊剂有可能引发一些不良反应。下一步他们要着手解决湿润GO薄膜容易被蚊子刺破这个问题,这是因为GO薄膜具有透气性,比无透气性的rGO薄膜更适合用作服装。[1]

呃,笔者觉得,就算有了石墨烯衣服,如果不能把头都包上,是不是也没啥防蚊效果啊?另外,睡觉的时候总不能穿着衣服吧,这个时候,与石墨烯结构类似的蚊帐是不是个更价廉物美的选择?

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

对付蚊子?是时候祭出这种“诺奖”材料了

Mosquito bite prevention through graphene barrier layers

Cintia J. Castilho, Dong Li, Muchun Liu, Yue Liu, Huajian Gao, Robert H. Hurt

PNAS2019116, 18304-18309, DOI: 10.1073/pnas.1906612116

参考资料:

1. Mosquito incognito: Could graphene-lined clothing prevent mosquito bites?

https://www.brown.edu/news/2019-08-26/moquitoes

本文来自X-MOL,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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