基于电流体动力学的微纳喷射制造技术以其低准入特性、技术普适性及可持续性优势，成为先进微纳功能器件高效成型、精确制备及集成制造的重要低碳手段。然而，工艺参数强耦合、喷射界面复杂波动及微秒级运动时间尺度导致射流行为按需调控困难，限制了微纳器件的优化成型及高性能应用。
近日，我院钟舜聪研究员团队联合加州大学伯克利分校机械工程系等单位在国际知名期刊Nature Communications发表了最新研究成果“Semi-transparent and eco-friendly face masks for PM0.3 filtration via biomimetic-fractal nanofibers”，创新性地揭示了荷电流体界面波动的偶极诱导各向异性拉伸-撕裂机制，从而实现30纳米仿生分形纤维的环保化按需制造及超细颗粒物高效过滤应用，为微纳功能器件可控成型及优化制造提供绿色技术范式。我院青年教师邵尊桂副研究员是该研究的第一作者，2025级硕士生刘永奎是该研究的学生第一作者，钟舜聪研究员、厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郑高峰教授、加州大学伯克利分校机械工程系杰出教授/传感器与执行器研究中心主任林立伟教授是该研究的共同通讯作者。
原文链接：
//doi.org/10.1038/s41467-026-71413-z
1. 研究背景
复杂的环境和气候变化使得超细颗粒物的威胁与日俱增，口罩已成为不可或缺的个人防护装备。目前，主流使用的N95口罩主要由熔喷聚丙烯纤维制成，依靠静电吸附效应来提高过滤效率。然而，其在潮湿环境中极易因电荷耗散而失效，且使用后难以降解，加剧环境负担。尽管通过静电纺丝技术制备可降解口罩被视为有前景的解决方案，但如何降低材料用量、提升佩戴舒适度和透明度，同时确保过滤性能超越当前口罩，仍是当前的重大挑战。
2. 研究内容
Ø 仿生分形纳米纤维高效制造思路
电流体动力射流劈裂行为的关键机制得到揭示：偶极力的强方向性及应力集中效应是根本原因，这有别于以往广泛认为的库伦爆炸机制。由此，按需制备了仿生分形纳米纤维，由30纳米极细纤维和200纳米较粗纤维交织而成。粗、细纳米纤维协同增强了超细颗粒物过滤能力，从而支持在材料用量减少90%以上的情况下实现2倍于商用N95口罩的过滤性能，同时红外透过率、水蒸气透过率、光学透明度均显著提升，这有助于热量和湿气更快散发，且支持更高效的社交互动及人机交互。
图1 偶极作用下的电流体动力射流调控机制及仿生分形纳米纤维特性
Ø 射流劈裂行为参数探究及动力学分析
通过空间映射正交分析法，揭示工艺参数-射流行为-纤维形貌相互作用规律，结合仿真模型提出射流劈裂行为的界面波动诱导关键现象及其偶极作用机制。偶极力作用优先且分散，易在液面形成多尖端扰动和更强的应力集中，而自由电荷引起的静电力则倾向于广泛聚集形成单一尖端，这一发现打破了对射流分裂机制的传统认知。
图2 电流体动力射流行为仿真结果
Ø 偶极定向电流体动力喷射模型助力射流行为按需调控
基于上述发现，提出了偶极定向电流体动力喷射模型，并在多种材料体系中得到验证。首先建立了严格的变量控制分析策略，通过观察射流时空分布规律，验证劈裂行为的波动点形成及其各向异性拉伸-撕裂演化规律，从而阐明了射流劈裂的偶极作用诱导机制，进一步拓展揭示了偶极作用诱导的射流无力、带状拉伸等广泛衍生行为，为可控微纳制造及生物基材料高精度按需成型提供了有力支撑。
图3 电流体动力射流行为演化实验分析
Ø 高性能空气过滤应用
对所制备的仿生分形纳米纤维膜进行了全面的空气过滤性能测试，显示出两倍于商用N95口罩的效果。这得益于粗、细纳米纤维在流体动力及超细颗粒运动调控的协同。一方面，细纳米纤维由于滑移效应，具有更贴近纤维表面的流线，使超细颗粒更容易因强烈的扩散运动而发生碰撞沉积，而粗颗粒则被膜的孔隙直接拦截；另一方面，滑移效应使得气流更容易绕过细纳米纤维而降低阻力，粗、细纤维的组合有效避免了压降急剧上升。
3. 总结
本研究揭示了电流体动力微纳喷射制造高效调控的偶极作用机制，为按需微纳制造及高性能、多功能器件高效成型提供了关键理论基础和应用支撑。研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。未来，团队将重点发展电流体动力按需微纳制造技术及其在智能传感与功能器件高性能应用策略等方面的研究，为建设国际领先水平的创新型应用基础研究中心提供有力支持。
