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拯救全世界的N95口罩,其发明者原来是台籍华裔科学家

发布日期:2021-09-15  来源:

2020-04-19 18:01

疫情期间,N95口罩有效保护了全世界无数民众和医护人员的安全。但是,绝大多数人并不知道,它的主要发明者是一位美国的华裔科学家——田纳西大学的退休教授Peter Tsai(蔡秉燚),且其联合发明者中还有另一位华人科学家刘朝宇。

Peter Tsai,这位出生在台湾农场家庭的纤维科学教授早已成为了世界无纺布领域的知名专家。他是如何拯救世界的?让我们来看看Peter Tsai发明N95口罩背后的故事。

农场出生,从小帮忙挣钱补贴家用

Peter Tsai在台湾的家庭农场长大,他说他小时候必须帮家里挣钱补贴家用,所以很少有时间学习。从台中市清水高级中学毕业后,他到省台北理工学院(现台北工学院)学习化纤工程,因为他想要学习一种能够应用的技能。

1975年,Peter Tsai毕业,当时正值台湾纺织业的黄金时代。在那个经济快速增长的时代,纺织品的出口总值超过了电子产品。Peter Tsai很快就在某纺织研究所找到了他的第一份工作,在那里他帮助工业发展局监督纺织业的质量管理。后来,他去了一家染整厂工作。

放眼生产线之外,前往美国深造

Peter Tsai逐渐意识到台湾纺织公司使用的所有设备和技术都来自日本、欧洲或美国。当时的台湾只关注生产,对生产线以外的技术一无所知,也不对研发进行投资。虽然他有一份稳定的工作,但无法满足他对知识的渴望。

“当时,我们只知道如何生产。但我更想知道的是,我们为什么要这样做?”Peter Tsai说,“所以我决定去美国学习,把一切弄清楚。”

随后,Peter Tsai进入了堪萨斯州立大学重新学习基础知识。他不仅研究工程学,还成为了数学系的助教。他想在数学方面获得良好的基础,这样就可以更多地了解同一工程的不同方面。

其他博士读了90学分,而他学了500学分

Peter Tsai在数学领域取得了优异的成绩,但这仍然不能满足他对知识的渴望。他到处报名参加各种课程:电气工程、机械工程、化学工程和物理。尽管材料科学是他的研究重点,他仍然在研究他所感兴趣的任何东西。其他博士生只需90学分即可毕业,而他报名参与学习了500学分。

后来,他的研究导师碰巧去了田纳西大学,研究“熔喷技术”的生产过程。这便开始了Peter Tsai35年坚持研究纤维材料的第一步。

为什么如此渴求知识?

Peter Tsai说:“当时我并没有想太多。我只是有不断学习的冲动。”他参加的博士课程为N95口罩的诞生铺平了道路。

严格来说,Peter Tsai并没有直接发明N95口罩,但他想出了这其中使用的技术——在呼吸器的中心有一层熔化的织物,它是由熔喷技术和驻极处理两项关键技术相结合而成的。

熔喷工艺过程可以使纤维变成具有极细孔的无纺布——这些纤维束的直径只有一到两微米,大约是人类头发的百分之一。

驻极处理的过程使纤维充满电荷,形成驻极体。这种材料可以吸收和捕获病毒或细菌,将呼吸器的过滤能力提高10倍。

遇见中国黄金搭档刘朝宇

在Peter Tsai研发N95口罩的时候,他还遇到了一位“黄金搭档”刘朝宇。

Peter Tsai当时正在田纳西大学纺织系任教。他的同事Roth教授告诉他,他的博士生刘朝宇在等离子体方面颇有研究,于是,Peter Tsai盛情邀请刘朝宇一起合作。

两人有着相似的科研志向,一拍即合,共同解决了“在常温常压下电离空气”这一难题。当时,实验条件并不很充分,部分实验仪器是由刘朝宇亲手搭建的。

“我们都知道‘静电吸附’的现象,但怎么把它用到纺织物上面,提升吸附效率,这对我们两人都是一个新的考验和尝试!”刘朝宇说。

90年代中前期,二人在“稳态辉光放电等离子体”(Steady-state,Glow Discharge Plasma)研究方面取得重要进展,并共同申请了数个美国专利。

要利用“静电吸附”现象需要解决两个重要问题:其一是要在常温常压下电离空气;其二是要把电离后的等离子体“长期储存”到无纺布等织物上。其中,前者是由刘朝宇主要完成的。

1995年,田纳西大学科技中心对刘朝宇作为主要完成人所做的“常压辉光放电等离子体处理高分子材料的方法和装置”等两项专利给予了表彰奖励。

解决电离问题之后,刘朝宇和 Peter Tsai还想办法解决了让离子“储存”在无纺布上的关键技术。

他们所开创的这项技术,通过与3M公司的合作,成功地应用到了空调过滤系统,大大提高了过滤效率,也为此后制造过滤效率更高的N95口罩奠定了基础。

一个跨学科的发明

熔喷技术和驻极处理来自两个不同的学科:工程和材料开发。因为 Peter Tsai拥有不同学科的学习背景,整合了他所学的不同知识,这使得他能够解决非织造布生产的 熔喷工艺和提高过滤能力的 驻极处理这两大双重问题,并帮助田纳西大学的研究团队成功地开发了这项技术。2006年,他被田纳西大学授予了著名的B. Otto和Kathleen Wheeley奖,以表彰他在大学研究成果商业化方面的突出贡献。

作为 熔喷技术和驻极处理的国际权威,Peter Tsai开始通过田纳西大学向全世界传播知识。美国是第一个受益的国家。随着时间的推移,他的客户遍及全球,从北美到欧洲,从亚洲到澳大利亚。

Peter Tsai说,现代N95口罩使用的驻极技术与他在90年代早期发明的用于无纺布的驻极技术是一样的。通过该工艺生产的无纺布的过滤能力是未经处理材料的十倍。它很薄但很结实。这种面料不仅广泛应用于N95口罩,许多医用口罩也使用了这种材料。

退休后仍在忙于新研究

Peter Tsai并没有停止改进 驻极技术的研究。2018年,他开发了水力摩擦电气化技术。他将无纺布浸泡在超纯水中,然后用高压真空去除水,产生一种摩擦,使静电荷更有效地转移到纤维上。用这种方法制造的材料的过滤能力是未经处理的材料的20倍。

如果该工艺可以应用于N95呼吸防护口罩,则只需一半的材料就可以达到相同的过滤程度,这将减少需要长时间戴口罩的医务人员的不适。

先进材料的开发是一个漫长而艰苦的过程。重复的实验和失败是常态。去年退休的Peter Tsai凭借他的最新发明,获得了他的第二个B. Otto和Kathleen Wheeley奖。他成为了田纳西大学历史上第一个两次获得该奖项的人。

谁能预料到,在他退休几个月后,致命的新型冠状病毒就会席卷全世界,使他一举成名?因为最近疫情的发展,虽然已经退休了,但Peter Tsai仍然在工作。他继续研究如何改进口罩,以便重复使用。他写文章,接受采访,孜孜不倦地分享他的知识。

在接受采访的当天,Peter Tsai还接到了多个电话。他的热情丝毫未减,就像四十年前他去美国追求知识一样。唯一不同的是,他当时是学生,现在,他是回馈世界的大师。

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