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防水防油特性

这种新物质防水和防油脂的能力与标准不粘涂料相当，但其含有的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）含量要低得多。PFAS是一类引发环境和健康担忧的化学物质。

“长期以来，研究界一直在努力开发PFAS的更安全替代品。挑战在于，制造一种能防水物质很容易，但很难制造出一种也能同等程度防油防脂的物质。科学家们此前认为这些替代材料的性能存在上限，”多伦多大学工程学耐久拒液先进材料（DREAM）实验室负责人Kevin Golovin教授如是说。

自20世纪30年代末发明以来，特氟龙（Teflon，又称聚四氟乙烯或 PTFE）因其能同时防水、防油和防脂而闻名。特氟龙属于全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）这一更大的物质家族。

PFAS分子由碳原子链构成，每个碳原子都与几个氟原子键合。碳氟键的惰性赋予了PFAS不粘的特性。

然而，这种化学惰性也导致PFAS能够抵抗随时间分解其他有机分子的正常过程。因此，它们有时被称为“永久化学物”。

应对PFAS风险

除了持久性之外，PFAS还因其会在生物组织中积累而闻名，并且随着它们在食物链中传递，其浓度会被放大。

多项研究已将高水平接触PFAS与某些类型的癌症、出生缺陷和其他健康问题联系起来，其中长链PFAS通常被认为比短链PFAS危害更大。

尽管存在风险，但由于缺乏替代品，PFAS在消费品中仍然无处不在：它们不仅广泛应用于锅具，还用于防雨织物、食品包装，甚至化妆品中。

“我们一直研究作为PFAS替代品的材料是聚二甲基硅氧烷，简称 PDMS。PDMS常以硅胶的名称销售，根据其配方不同，它可以具有非常好的生物相容性——事实上，它常用于设计植入体内的器械。但直到现在，我们还无法让PDMS的性能达到与PFAS相当的水平。”Golovin继续说道。

通过纳米级羽化技术克服难题

为了克服这个问题，机械与工业工程系（MIE）博士生Samuel Au开发了一种新的化学技术，团队称之为纳米级羽化（nanoscale fletching）。

“与典型的硅胶不同，我们将短链PDMS键合到基底材料上——你可以把它们想象成刷子上的刷毛。为了提高其防油能力，我们现在添加了尽可能最短的PFAS分子，它由一个碳原子和三个氟原子组成。我们能够在每根PDMS‘刷毛’的末端键合大约七个这样的分子。”Au解释道。

“如果你能缩小到纳米尺度，它看起来会有点像你在箭尾（搭弓处）周围看到的羽毛。那叫做箭羽，所以这是纳米级的箭羽技术。”

混合材料降低风险

Au和团队将他们的新材料涂在一块织物上，然后滴上各种油滴，观察其防油效果。根据美国纺织化学师与印染师协会（AATCC）制定的等级标准，这种新涂料达到了6级，与许多标准的PFAS基涂料相当。

“虽然我们在这个工艺中确实使用了PFAS分子，但它是最短的一种，因此不会生物积累。我们在文献甚至法规中看到，最先被禁止的是最长链的PFAS，而较短的则被认为危害性小得多。我们的混合材料提供了与长链PFAS相同的性能，但风险大大降低。”Golovin陈述道。

Golovin表示，团队愿意与希望扩大规模并商业化该工艺的不粘涂料制造商合作。同时，他们将继续研究更多的替代品。

“该领域的‘理想结果’将是性能超越特氟龙、且完全不含有PFAS的物质。我们尚未完全达到目标，但这是在正确方向上迈出的重要一步。”Golovin补充道。