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科学家制造出一种“隐形衣”,让人类对蚊子“不可见”
时间: 2020-10-30 10:13

为了摆脱被蚊子叮咬的困扰,人类做了很多努力,包括用衣服、蚊帐间接保护自己免受蚊子的骚扰,或是用蚊香、电蚊拍和蚊子做正面斗争。但是,这些方法的效果都有限。近几年,科学家找到了一种新方法,制造出了一种“隐形衣”,让人类对蚊子“不可见”,而这件隐形衣的材质是石墨烯薄膜。

 

石墨烯是什么?为什么石墨烯薄膜制成的衣服,能防止蚊子叮咬人类?要想知道这件“隐形衣”为什么能防蚊,我们首先需要了解蚊子为什么会“独宠”一部分人。

蚊子喜欢咬什么样的人?

为了“师蚊长技以制蚊”,科学家对地球上三千多种蚊子进行了分类,会对人类进行叮咬的主要有三种蚊子,分别是:按蚊Anopheles、伊蚊Aedes(后文实验用蚊)、库蚊Culex,它们依次长下面这样:

图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=NlaaGS76A1k

图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=NlaaGS76A1k

雌蚊怀孕后,需要吸食人血来补充蛋白质,但是蚊子并不是通过视觉寻找食物,而是主要靠嗅觉。蚊子的下颚须上有十分灵敏的二氧化碳感受器,这个感受器可以感受到低至0.05%的二氧化碳浓度波动。

图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=wF5KfsKxK6Q

图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=wF5KfsKxK6Q

人类呼出的气体中有百分之四是二氧化碳。蚊子可以轻易地在数十米外感知你的存在,就像你远远就可以闻到厨房飘出的饭香。

在接近人类一至两米后,蚊子主要是根据人类的汗臭(主要是由汗液中的乳酸、氨、辛烯醇、丙酮和二甲基二硫醚产生的气味),选择吸血目标。

运动出汗之后的你,在蚊子眼中绝对是一盘绝味肉排 图片来源:知网

运动出汗之后的你,在蚊子眼中绝对是一盘绝味肉排 图片来源:知网

大开脑洞的防蚊器材:石墨烯防蚊衣

为了与蚊子做斗争,人类费尽心思,甚至想到了给蚊子做绝育。但现实是,在这场人蚊大战中,人类并不能消灭掉对手。

近几年,研究人员想到了一个新思路:让蚊子“看”不见我们。

这就是前面我们提到了石墨烯“隐身衣”。一种基于石墨烯的创新薄膜可以帮助人们抵御携带疾病的蚊子。

什么是石墨烯呢?简单来说,石墨烯就是碳原子组成的六角形结构(如下图所示)。

石墨烯分子结构图

石墨烯分子结构图

你可以想象石墨烯是由单层碳原子构成的一个像蜂窝似的薄膜。如果是由两层叠到一起的就叫双层石墨烯,除此之外还有少层石墨烯,当然再多层的石墨烯那就是石墨啦!

那么石墨烯有多厚呢?石墨烯是单层原子构成的,厚度在0.335nm左右。

0.335nm有多薄?用形象的比方来说,我们头发的直径是石墨烯厚度的20万倍。因此石墨烯被科学家定义为二维材料。简单理解就是,完全可以忽略石墨烯的厚度。所以石墨烯这种材料制成的衣物,绝对满足我们对轻薄的需求。

不仅如此,石墨烯还有很好的韧性,其杨氏模量的理论值有1.0TPa,其值远高于橡胶。石墨烯的强度是目前最好的钢铁的100多倍。钢铁侠的战衣看来也要更新换代了,以后可能会出现“石墨烯侠”了。

这时科研工作者的脑海里盘旋着一个疑问:石墨烯对蚊子的防御是物理防御吗?类似于一层虽然很薄但是很坚硬的盾牌?

石墨烯是如何让蚊子变成嗅觉“瞎子”的?

在接近人类一至两米后,蚊子主要是根据人类的汗臭选择吸血目标的。那么石墨烯防蚊衣到底具不具备“拒蚊于千里之外”的功能呢?

为了验证自己的猜想,研究人员以及志愿者为此做出了大胆的尝试和肉体上的牺牲,并把文章发布在了PNAS上。

看这题目,没错!这不是广告,而是一篇学术论文。

布朗大学的研究人员招募了一批参与试验的志愿者。并在实验室中培养了一批不携带病菌的蚊子。为了科学,这些志愿者要被蚊子咬几口。他们的手臂被放在一个充满蚊子的笼子里,只有一小块皮肤可供蚊子叮咬。

为了科学与严谨,他们在一个小箱子里放上一百只热爱叮咬人类且健壮的蚊子,然后在箱子底部开一个4~6平方厘米的小口,把皮肤放在下面。

图A是蚊子的聚餐时候的照片,图B就是被叮之后的皮肤。图C 上面是纱布下面是氧化石墨烯(GO)纳米片。纱布是对照组实验。图D和图E是实验组和对照组实验的统计结果。可以看得到Skin代表的是裸漏的皮肤,而Go(dry)是干燥的石墨烯片,cheesecloth是纱布的意思。

实验结果显示,石墨烯片一次蚊子叮咬也没有发生。这似乎与最开始我们预想的有点不一样。因为如果石墨烯对于蚊子是物理防御,也就是说蚊子发现了石墨烯片下面的“美味”,应该是对着石墨烯片一顿疯狂的冲击。但是实验人员并没有观察到这种情况。人类的皮肤似乎在敏锐的蚊子的面前穿上了隐形衣!

这个问题得到了实验人员的进一步的验证。

用于石墨烯薄膜渗透测试的特制扩散槽

用于石墨烯薄膜渗透测试的特制扩散槽

实验证明,石墨烯的碳原子间隙虽然可以透过水分子,却可以阻断汗液中的大分子,如人类的汗臭(主要是由汗液中的乳酸、氨、辛烯醇、丙酮和二甲基二硫醚产生的气味),所以蚊子在石墨烯衣服面前会变成“瞎子”。

那是不是就说明我们很快就可以拥有一件防蚊的石墨烯衣服了呢?理论上,如果你能接受夏天用改良过的石墨烯片(rGo)把你包裹得严严实实,那绝对可以防止蚊虫的叮咬。不过为了凉爽,目前还只能是用欣赏的眼光看待这款防蚊虫隐身衣。

但是这个研究成果对某些特殊领域的意义比较大,比如林业守护人员的防护衣,可能会有一些革命性的变革。

图中护林员正在山中巡查 图片来源:人民网

图中护林员正在山中巡查 图片来源:人民网


  
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