Nature：仿照鼻毛，做一款空气过滤器

在我们每一次呼吸之间，鼻腔中的鼻毛都在悄然充当天然的“空气过滤器”，帮我们除去空气中的灰尘和花粉，守护我们的健康。它们如此能干，秘密就在于表面覆盖的一层薄薄的粘液。当空气中的颗粒物接触到这层粘液时，会形成液桥，从而通过毛细力将颗粒物紧紧捕获。相比之下，传统空气过滤器主要依赖范德华力来吸附颗粒，而这种作用力通常只有纳牛顿量级，远远不及毛细力所能提供的微牛顿级强附着力，大大限制了过滤效率的提升。

鼻腔中尘埃颗粒通过毛细力附着在鼻毛表面。图片来源：Nature

近日，韩国中央大学Sanghyuk Wooh教授课题组在Nature 杂志上发表论文，报道了他们受鼻毛启发而开发出的一种高效仿生过滤器。该过滤器通过在滤材表面引入一层稳定的薄液体涂层，显著增强了颗粒物的捕获能力，同时保持良好的空气通透性，延长了滤材的使用寿命，并能带来节能效果。更重要的是，这种强附着力不仅在高速气流下依然有效，还能抑制颗粒物的二次释放，展示出优异的过滤稳定性和应用潜力。

花粉过滤效果对比。图片来源：Nature

首先，研究者在滤膜表面接枝了一层约10 nm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子刷，然后将硅油的正己烷溶液喷涂在处理后的滤膜上。随着正己烷挥发，一层均匀且稳定的硅油薄膜在滤膜表面形成。这层液膜的作用如同鼻毛上的粘液，利用毛细力对颗粒产生强附着力。在对比实验中，花粉被吹入孔径为100–500 μm的传统无纺布过滤器，大多数花粉未被捕获而直接穿过；而经过涂油处理的滤膜（PRO）则能捕获大部分花粉。

仿生超强油膜过滤器。图片来源：Nature

定量测试表明，涂油处理后，滤膜的过滤效率提高了10%至30%，而空气通透性几乎未受到影响。这是因为涂层厚度控制在亚微米尺度，仅使纤维总直径增加约2.5%，压降变化也控制在3%以内。效率的提升主要来自颗粒与滤材之间附着力的增强。原子力显微镜（AFM）测试显示，传统滤膜对直径约7 μm的二氧化硅颗粒的附着力仅为15 ± 0.9 nN，主要由范德华力提供；而涂油处理后，滤膜附着力提升至400 ± 8 nN，增加约25倍。对于更大颗粒（如直径~14 μm的硅胶颗粒和~15.4 μm的聚乙烯颗粒），附着力甚至可达微牛顿（μN）量级，附着能量更提升了3至4个数量级，足以实现高效捕获。

过滤性能与微粒附着力。图片来源：Nature

在传统滤膜中，当气流速度超过某一临界值后，过滤效率会下降，因为附着较弱的颗粒容易被气流“吹走”，造成二次释放。而涂油处理后的滤膜在高气流下依然保持或提升过滤效率。即使在气枪强力反吹的条件下，颗粒也未被剥离，滤膜颜色几乎无变化。进一步测试中，研究者在滤膜完成一次捕获并称重后，将其翻转，从反方向再次过滤颗粒物，结果每轮的捕获质量几乎一致，且可稳定重复五次以上。在实际应用中，将滤膜安装在室外吸烟区，经38个月自然风环境下运行，传统滤膜上颗粒较少，而涂油滤膜内部则观察到大量颗粒，表明其具备强附着和长期稳定的捕获能力。

毛细力驱动的颗粒过滤机制。图片来源：Nature

更令人意外的是，这种高效的涂油滤膜不仅过滤性能更强，使用寿命也更长，系统能耗还显著降低。这归功于其独特的颗粒堆积方式。传统滤膜中，颗粒倾向于形成松散的“树枝状”堆积，容易堵塞孔隙；而在涂油滤膜中，颗粒在毛细力作用下被致密排列，有效减少了孔隙堵塞速度，减缓了压降的上升，有助于延长滤膜寿命和降低风机能耗。结合分级过滤策略，利用预过滤器先拦截大颗粒，还能进一步提升整体系统效率和耐用性。

滤膜的压降表现与实际应用。图片来源：Nature

在实际应用测试中，研究者将涂油滤膜安装于某室内棒球场的通风系统中。连续运行180天后发现，相较于传统滤膜，其颗粒物捕集量提高了42%，压降增长速率降低了58%，风机能耗减少了27%，滤膜使用寿命则延长了两倍以上。作者在论文中总结道：“该过滤器在实际规模的通风系统中表现优异，不仅显著降低了能耗，还提升了颗粒物捕集效率，展现出优于传统滤膜的显著优势，为新型环保过滤材料的开发提供了重要契机。”

实际过滤应用实验。图片来源：Nature

Bioinspired capillary force-driven super-adhesive filter

Junyong Park, Chan Sik Moon, Ji Min Lee, Sazzadul A. Rahat, Sang Moon Kim, Jonathan T. Pham, Michael Kappl, Hans-Jürgen Butt & Sanghyuk Wooh

Nature 2025, 643, 388–394, DOI: 10.1038/s41586-025-09156-y

（本文由小希供稿）