鉴于Covid-19的影响,以及疾病如何通过与受感染的呼吸液滴接触地传播,IIT Bombay的工程师希望回答一个基本问题:

是否有可能设计冠状病毒的存活的表面是有限的?

孟买研究小组发现两种特性决定了表面的抗病毒能力:润湿性(即给定的表面是否会被水润湿)和物理结构。

通过调整润湿性和纹理,IIT孟买研究人员研究了如何最好地创造抗病毒表面并限制冠状病毒的扩散。

考虑了表面物理纹理的两个基本几何形状,即矩形平行凹槽(如图1A所示)和矩形柱(如图1B所示)

“为了达到最强的抗病毒效果,需要具有更高且紧密堆积的柱的表面,具有60°的固有接触角或润湿性,”IIT孟买机械工程系的桑汉特罗Chatterjee博士告诉技术简介。

具有较高且紧密的柱子的表面 - 高于ℎ和低,在上面的图像中 - 接触角约为60度,显示出最强的抗病毒效果或最短的干燥时间。

Chatterjee博士,领先作者和机械工程部门的博士后研究员,与IIT孟买机械工程教授Janani Srree Murallidharan,Amit Agrawal和Rajneesh Bhardwaj一起工作。

他们的研究,“设计抗病毒表面,抑制Covid-19的蔓延,“在本月出现在期刊上物理的液体。

这些表面上的冠状病毒的存活时间远短于通常可用的表面。Chatterjee博士说,对一般规则,治理机制和优化条件仍然缺乏缺乏所需的病毒作用。

在简短的问答中技术简介下面,Chatterjee博士与IIT孟买研究团队协调,解释了如何将该研究的结论纳入新设计。

技术简介如果一个表面的润湿性和它的物理质地决定了它的抗病毒性能,这对设计意味着什么?你认为什么样的表面应该重新设计?

Sanghamitro博士Chatterjee.:表面可以用矩形平行槽或矩形支柱装饰。这些是最简单的几何形状,易于制造,因此在我们的设计中被考虑。

疏水或不湿润的表面是冠状病毒最容易存活的表面。我们的研究表明,为了设计抗病毒表面,首先应该涉及化学处理,将疏水表面转移到亲水表面。之后,为了达到最佳的抗病毒效果,需要做物理结构。具有较高和紧密的柱状表面,并具有60°左右的内在接触角,显示出最强的抗病毒效果。

When a droplet is deposited on a surface, the angle between the droplet surface and the substrate surface, measured within the liquid, is called the contact angle. The surface is said to be wettable or hydrophilic if <90°. Conversely, if >90°, the surface is said to be non-wetting or hydrophobic. (Image Credit: S. Chatterjee, J. S. Murallidharan, A. Agrawal, and R. Bhardwaj)

技术简介:根据这些结论,您有哪些设计建议?

Chatterjee博士我们的工作提出了该过程的设计方法,并有助于传播工程表面所需参数的知识,以尽可能缩短病毒存活时间。例如,使用化学处理,疏水表面可以变成亲水,在其上制造纳米或微尺度特征有助于将病毒存活时间减少50%。特别是较高、密集的结构和柱子最有利于消灭病毒。虽然不可能将我们周围的表面材料改变为冠状病毒存活时间较短的材料(如多孔材料和金属材料),但我们的工作提出了一种利用表面工程缩短冠状病毒寿命的方法。

我们的建议可以在可能频繁接触感染的气溶胶的表面上采用,例如牙科仪器,面部屏蔽,常用表面(例如,门把手)等,以便于冠状病毒的彻底爆发。

技术简介:是否可以修改现有曲面,或者是创建全新曲面的想法?这些表面是否易于创造和维护?

Chatterjee博士:可以修改现有曲面。在表面上形成亲水化合物/涂层(例如,二氧化硅,氢氧化铝)的化学处理可以容易地赋予现有疏水表面的亲水性。此外,通过众所周知的光刻技术,例如电子束光刻,聚焦离子束(FIB)和照片光刻,可以进行物理纹理。可以使用这些技术轻松制造[在上图中的设计]。

电子束光刻,聚焦离子束(FIB)和照片光刻形成的物理纹理是永久性的。然而,通过化学方法获得的最佳润湿性可以在暴露于侵蚀时丢失或降解,这可能是由粗水流或可能导致表面吸附碳的污垢而导致的侵蚀。因此,应注意避免这种情况。

技术简介:什么结论会让你感到惊讶吗?

Chatterjee博士令我们惊讶的是,它的表面润湿性和物理结构共同决定了它的抗病毒性能。一个人不可能通过不断调整这些参数中的任何一个来获得最好的结果。最佳的抗病毒效果是在润湿性和质地的最佳范围内。

其次,在物理纹理方面,是表面积因素,即实际表面积和投影表面积之间的比例是重要的,需要裁剪,与纹理的具体几何形状无关。一个人不需要钻研纹理的具体几何细节。Just obtaining optimized and wettability would render the best antiviral effect. Another surprising fact was that while a couple of previous studies reported antibacterial effects by designing superhydrophobic surfaces, our research indicate that antiviral surface design can be achieved by surface hydrophilicity.

技术简介: 下一步是什么?这种表面处理可以用于冠状病毒以外的疾病吗?

Chatterjee博士:今后,本模型可扩展到其他呼吸道疾病,如甲型流感或其他通过污染物传播的疾病。因此,可以将表面工程过程普遍化,以减轻此类疾病的传播。由于我们已经通过一个独立于纹理特定几何形状的通用模型分析了抗病毒效果,人们可以根据制造技术的便利和可用性(如聚焦离子束、化学蚀刻等)来制造任何几何结构,以实现相同的结果。

此外,我们的模型公开了一系列润湿性和纹理可能会使优化的抗病毒效应。基于制造技术的可用性,可以在报告范围内获得任何值,从而优化操作时间和成本。这样,抗病毒表面的设计和制造和对不同疾病的应用可能是未来的工作过程。

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