水是人类的生命之源，目前，全世界仍有6.5亿人缺乏卫生的饮用水，每年有数百万人死于水传播的细菌疾病。如何高效、低成本、可靠的净化饮用水，尤其是那些被病原微生物污染的水，是各国科学家关注的问题。
传统的饮用水消毒技术包括采用消毒剂和膜分离技术等，但是这些方法难免存在需要庞大的基础设施、微生物污染、水通量下降、能耗高等诸多问题。
丝瓜络是一种天然的杀菌材料，具有均匀的三维（3D）纤维骨骼结构，其间分布着天然杀菌成分（单宁和糖苷），使其具有高效的杀菌功能，而且液体渗透速率高，但是随着杀菌成分的流失，其杀菌性能不断下降。
成果介绍
受到丝瓜络结构的启发，东华大学丁彬教授课题组提出了一种二氧化硅纳米纤维气凝胶（SNA）仿生骨架结构，将杀菌剂通过化学键合的方式结合到骨架结构中，制备出一种具有超弹性、高通量、反复使用的杀菌材料。这种材料在1000次循环压缩过程中只观察到了16%的塑性形变，水通量高达57 600 L·m-2·h-1，仅耗时1分钟和3分钟内就能灭活99.9999％的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，性能是现有材料的100倍。SNA的合成为杀菌和防污材料的研究开辟了一条新道路。
SNAs-Cl仿生杀菌材料的制备
丝瓜络具有3D互连的纤维结构，天然粗糙的纤维表面有效地增强了亲水性。受到这种结构的启发，研究者以电纺二氧化硅纳米纤维来构建3D互连骨架，由含有N-卤胺结构的硅烷水解形成Si-O-Si键合网络，用纳米SiO2颗粒在电纺纤维上建立纳米级粗糙度，从而完美复刻了丝瓜络的结构。随后，研究者通过冷冻干燥制备成气凝胶，均匀的Si-O-Si交联网络包裹着SNA纤维形成网络，最后采用稀释的漂白剂溶液进行氯化，将N-H基团转化为N-Cl基团，制备出具有超弹性、可反复使用的仿生纳米纤维骨架杀菌材料。
SNAs-Cl仿生杀菌材料的超弹性
在水净化时，材料在大变形情况下依然能保持完整性非常重要，也就是材料的弹性要足够高。研究者比较了不同结构SAN的压缩应力-应变行为。发现随着TEOS含量的增加，SNA的最大压缩应力从4.9 kPa增加到9.5 kPa。当外部应力施加到气凝胶上时，压缩应力依次导致孔结构变形、纤维弯曲以及化学键合破坏。研究者采用分子模拟对交联网络的弹性行为进行模拟，发现T1S1的交联网络具有适度的交联度和良好的柔韧性，在三种气凝胶中表现出最佳的机械性能：在最大ε时测得的压缩σ为30.7 kPa，这是密度相同的其它陶瓷或碳气凝胶材料的2-6倍。研究者又进行了SNA的循环压缩实验，在1000次循环压缩过程中只观察到了16%的塑性形变，而且保留了至少60％的初始杨氏模量和最大应力，角频率范围从0.1到100 rad·s-1时，材料的储能模量、损耗模量和阻尼比几乎保持不变，这表明SNA网络具有超弹性特征。
SNAs-Cl仿生杀菌材料的反复杀菌性能
在制备SAN时采用了N-卤胺化合物，在氯化后Si-O-Si网络中的N-H基团会转化为具有杀菌作用的N-Cl基团：当病原体与氯化纤维骨架接触时， N-Cl基团产生的氧化氯会与细菌蛋白质和巯基酶发生反应而杀灭细菌，N-Cl被还原成酰胺基团，再次氯化后N-Cl基团重新生成，又具备了杀菌活性，也就是说这种材料可以反复使用。通过控制纳米SiO2颗粒的负载量可以调节SNA的层次结构，当负载量为0.05 wt％时，活性氯含量增加到4800 ppm，这主要是由于纳米颗粒提高了纤维表面粗糙度造成的。在十次反复氯化过程中，材料均表现出稳定的活性氯含量，这是由于3D骨架和N-卤胺结构出色的稳定性所致。
研究者以革兰氏阴性菌大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）为例，评估了SNAs-Cl的杀菌能力，发现SNAs-Cl仅耗时1分钟和3分钟就能灭活99.9999％的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，而之前报道的材料表现出相似的杀菌性能，至少需要6到20小时的接触时间。这种材料的杀菌机理类似氯消毒剂，细菌细胞膜受损而被杀死。
SNAs-Cl仿生杀菌材料的水消毒应用
研究者以SNAs-Cl为杀菌过滤器，以浓度为5×106CFU mL-1含大肠杆菌的水作为给水，研究了它在实际水消毒应用中的表现。将预先润湿的气凝胶放入玻璃过滤装置中，将污染的水倒入，细菌与气凝胶接触后被灭活，干净的水迅速流入滤瓶。
在压力驱动下，当水流量为26000 L·m-3时，SNAs-Cl材料水通量达到7000 L·m-2·h-1，大肠杆菌减少了6 log；当压力达到20 kPa时，水通量更是高达57600 L·m-2·h-1，是现有材料的10~100倍，细菌被彻底杀灭。
小结
受到丝瓜络结构的启发，东华大学丁彬教授课题组将电纺SiO2纳米纤维和N-卤胺基功能化的Si-O-Si网络结合，制备出具有仿生纤维骨架结构的超弹性杀菌SNA材料。发现随着TEOS含量的增加，SNA的最大压缩应力从4.9 kPa增加到9.5 kPa，T1S1交联网络具有适度的交联度和良好的柔韧性，在最大ε时压缩σ为30.7 kPa，是密度相同的其它陶瓷或碳气凝胶材料的2-6倍；在1000次循环压缩过程中只观察到了16%的塑性形变，保留了超过60％的初始杨氏模量和最大应力。SNAs-Cl仅耗时1分钟和3分钟就能灭活99.9999％的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，反复氯化十次后，材料依然保持稳定的杀菌活性。在20 kPa压力驱动下，SNAs-Cl材料水通量高达57600 L·m-2·h-1，是现有材料的10~100倍。
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