当液滴与固体表面接触时，液体的表面张力与其接触的固体的表面能之间会产生微妙的平衡。在此过程中，液滴会进行自发的移动（例如，润湿或脱湿行为）。在润湿性研究中，研究人员通常使用毫米大小的液滴进行润湿性表征。在口罩的防护性能测试中，目前的测试方法仍然是采用毫米级别的液滴进行表征。事实上，人类活动（如说话和咳嗽）留下的口腔液体，其大小为微米级（例如，气溶胶为5μm）。

　　近期，韩国极端材料研究中心Myoung-Woon Moon团队从毫米到微米对口罩纤维层的润湿性进行了多尺度表征。表征结果表明，小液滴在原始纤维介质上的接触角（CA）会突然减小，这是由于小液滴在纤维表面缺少气垫。此外，在液滴冲击试验期间，液滴很容易粘附在原始层上，进而在微纤维上产生大范围的污染区域。为了解决这个问题，作者通过等离子体蚀刻在原始纤维上雕刻纳米壁，有效抑制了这种润湿现象。由此产生的微纤维形貌在多尺度上控制了液滴的动态润湿性，降低了被撞击液滴污染的可能性，并抑制了蒸发时的润湿转变。这些关于纤维介质动态润湿性的发现将有助于对抗感染性飞沫。该研究以题为“Multiscale landscaping of droplet wettability on fibrous layers of facial masks”的论文发表在最新一期《 PNAS》上。

　　作者定义了D=D d/D f作为特征比率，其中D d是测试液滴的直径，D f是底层结构的特征尺寸。图1A是由纤维介质组成的商用N95级口罩的多层结构。作者选择外层作为研究的区域。接着，作者对N95口罩的原始纤维外层在多尺度上进行了表征（图2）。作者发现多孔纤维表面上100至250μm的液滴形状不是球形（图2B），这是由于它们与随机纤维接触产生的多重约束。为了进行多尺度表征，作者设计了PP超细纤维。表征结果发现，微型液滴如此低的CA值是由于蒸发导致液滴在此尺度上钉扎所致。此外，作者使用纳米颗粒作为模型病毒颗粒来监测蒸发后的污染区域，并观察到通过毛细作用，纳米颗粒最终扩散并留下了广泛的污染区域。

　　在自然界中，外部疏水性在气垫效应的辅助下可以增强液滴的流动性。作者通过纳米级切割原始纤维，实现了100D0.1的感染性液滴的隔绝，如图3所示。在PP微纤维周围雕刻纳米壁结构的主要机制涉及纤维中结晶相和非晶相的共存，如图3A所示。由于等离子体在低真空条件下各向同性地蚀刻纤维，纳米壁结构出现在纤维的整个表面上，甚至在相邻微纤维下方的阴影区域中。作者通过嵌入纳米壁结构，实现了结构的超疏水性并抑制了润湿转变，如图3C所示。

　　原始纤维介质上的液滴的润湿转变主要基于蒸发。在蒸发时，平坦表面上的大液滴具有两种模式：i）恒定接触半径（CCR）模式和ii）恒定接触角（CCA）模式，其随时间保持特征路径。作者通过区分混合模式下每个原始和结构化纤维上小液滴的动态润湿性路径，比较了2.0D0.1的液滴迁移率（图4）。结果表明，纳米壁结构纤维层上的液滴始终存在脱湿现象，无论测试条件下的液滴大小如何，都没有钉扎效应。

　　最后，作者通过口罩外表面上的撞击液滴测试表征了动态润湿性（图5）。结果表明，撞击样品表面的液滴主要表现出以下四种现象，如图5B所示：i）撞击后粘附在表面上，产生液滴沉积，ii）液滴的破裂沉积，即液滴分离成小液滴，然后粘附到外层上，iii）回弹，以及iv）当表面的排斥性强时发生的破裂回弹。与原始表面不同，纳米壁结构层具有6.7°的低CA滞后，因此在大多数测试中排斥液滴，这将保护外层免受感染性液滴污染。

　　小结：该工作对N95口罩及其结构衍生物上的液滴润湿性和流动性进行了多尺度表征，并讨论了如何避免感染性液滴和污染物通过蒸发作用粘附在口罩表面。对原始纤维介质的多尺度表征结果表明，当蒸发过程中液滴的大小与微纤维的直径相当时，CA值小于90°的液滴突然发生润湿转变。这种润湿转变在1＞D＞0.1条件下更容易污染纤维的光滑表面。该工作提出了一种通过增强疏水性来避免污染的方法。作者通过等离子体蚀刻，利用PP微纤维中结晶相和非晶相的共存，在每个纤维周围嵌入了纳米壁结构。这种结构化纤维介质通过强大的气垫效应抑制了润湿转变。此外，气垫效应显着降低了撞击液滴的粘附力，这对减少传染性液滴对口罩表面的污染非常重要。该工作所提出的策略具有可量产性、可靠性和实用性，其使用的等离子工艺也具有可行性。该策略有助于开发能有效防护传染性飞沫的口罩。