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接觸角及吸附力測量如何幫助我們對抗新冠病毒

背景知識
病毒與表面的接觸能力在呼吸道疾病的傳播中扮演關鍵的角色，像是這幾年間造成全球大流行的新型冠狀病毒(COVID-19)，感染者會將帶有病毒的飛沫通過說話、打噴嚏、唱歌、咳嗽等方式向外傳播，而當這些飛沫落在物體上時，一旦有人通過觸摸其表面然後碰到自己的眼口鼻等途徑，就有可能導致間接染病，因此，抑制飛沫附著在人類可能接觸的表面上是一種高效阻斷傳染病毒傳播的方法，例如水滴在超疏水表面(superhydrophobic surfaces)上十分容易滑落，其接觸角遲滯性（Contact Angle Hysteresis , CAH < 10°）很低，因此病毒飛沫將不容易沾附在這些超疏水表面，這些特殊表面材料已被廣泛應用於抗生物污染、飛沫貼附控制或是易保潔產品中，我們相信開發新的超疏水表面材料開發對於預防傳染病是有重要意義的。最近，有研究提出，經過超疏水改質處理的表面(二氧化矽納米顆粒塗層)附著的病毒飛沫將顯著減少，並透過實驗證實具有這些超疏水表面的材料可以阻斷目前COVID-19大流行中的病毒傳播鏈。

​實驗
在這項研究中，有兩種超疏水塗層被使用到，他們是由經過矽化處理的二氧化矽納米顆粒(silanized silica nanoparticles)組成，研究者希望可以將超疏水塗層應用於不同的基材表面，在這些塗層上，帶有病毒的飛沫呈現非濕潤的卡西(Cassie)狀態（飛沫”浮”在塗層結構上，和表面之間有空氣阻隔），顯著減少固液接觸面積以及病毒與表面接觸的可能性（參見上圖一），從這些表面上，帶有病毒的飛沫能夠輕易地滾落，減少病毒附著的機會。

圖二、
(A) 水滴於未塗層裸露表面、Glaco表面、Aerosil表面的水滴接觸角結果
(B)在不同樣品上分別進行未塗層、Glaco塗層及Aerosil塗層的水滴遲滯角結果
(C)在不同樣品上分別進行未塗層、Glaco塗層及Aerosil塗層的水滴靜態接觸角結果
(D)在不同樣品上分別進行未塗層、Glaco塗層及Aerosil塗層的水滴附著力測量數據

為了了解超疏水塗層的作用機制，文章中研究了各種超疏水塗層表面的濕潤性(wettability)，如上圖二所示，可以發現這兩種塗層顯著降低了表面的濕潤性，在圖二A中，玻璃基材經過Glaco或Aerosil塗層後，濕潤性從親水轉變為超疏水，在大多數情況下，Glaco塗層上的接觸角將略大於Aerosil塗層，但兩者均遠大於未塗層裸露表面（圖二C）。

此外，如圖二B所示，兩種塗層覆蓋的表面上的遲滯角均遠小於裸露表面，這表明飛沫在超疏水表面上的黏附力遠小於裸露表面，圖二D中的黏附力測量結果與接觸角測量結果一致，遲滯角和黏附力是表達表面沾附性狀態的重要參數，遲滯角和黏附力越小，表面的沾附性越低，對於這些表面，接觸病毒後附著的液體殘留量較少，這也在殘留比率mr/m0的測量中得到證實（參見圖三），接觸沾附性差的表面後，留下的液體殘留較少，這將增加預防病毒飛沫附著的效果。

圖三、病毒液殘留實驗示意圖及實驗數據

為了繼續驗證超疏水塗層的抗病毒特性，科學家研究了超疏水塗層表面上的病毒活性，如下圖四所示，在超疏水表面上，病毒基因拷貝的速度明顯比在親水表面上慢，值得注意的是，如圖四B所示，病毒活性與附著有正相關，這表明具有較低黏附力的超疏水表面具有更好的防止病毒傳播的能力。


圖四、表面沾溼性(wettability)和病毒吸附能力關係圖