再见了特氟龙！这种光滑的新材料可能永远改变炊具

工程师们研制出一种新型不粘涂层，终于可能给特氟龙带来一些竞争 —— 而且不含那些引发健康警报的危险“永久性化学物”。

通过将硅基“刷毛”与尽可能小的PFAS分子结合，该团队创造了一种表面，其防水防油效果与传统涂层一样出色。

更安全的不粘替代品出现

多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员创造了一种新型材料，可能为广泛用于炊具和其他日常用品的不粘涂层提供更安全的选择。

这种创新材料能像许多标准不粘表面一样有效地排斥水和油脂，但所含的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）要少得多。PFAS是一类与环境和健康问题相关的化学物质。

“长期以来，研究界一直在努力开发更安全的PFAS替代品，”多伦多大学工程学院耐用排斥先进材料（DREAM）实验室负责人凯文·戈洛温（Kevin Golovin）教授（机械与工业工程系）表示。

“挑战在于，创造一种能排斥水的物质很容易，但很难制造出一种也能同等程度排斥油和油脂的物质。科学家们在这些替代材料的性能上遇到了瓶颈。”

特氟龙与PFAS背后的科学

特氟龙（聚四氟乙烯或PTFE）于20世纪30年代末首次问世，因其能防止水、油和油脂粘附而闻名。特氟龙属于更大的PFAS家族。

PFAS分子由与多个氟原子键合的碳原子组成。这些碳-氟键极其稳定，正是这种特性赋予了PFAS强大的不粘性。

同样的化学稳定性也使PFAS能够抵抗自然降解过程。这种在环境中的持久性为它们赢得了“永久性化学物”的绰号。

PFAS的健康担忧与普遍性

除了持久性，PFAS还以在生物组织中积累而闻名，并且随着它们在食物链中向上移动，其浓度会不断放大。

多项研究已将暴露于高水平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通常被认为比短链的更有害。

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：它们不仅广泛用于炊具，还用于防水织物、食品包装，甚至化妆品中。

寻找更安全的替代品

“我们一直在研究作为PFAS替代品的材料叫做聚二甲基硅氧烷（PDMS），”戈洛温说。

“PDMS常以硅胶的名称出售，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中。但在此之前，我们无法让PDMS达到与PFAS相当的性能。”

为了克服这个问题，机械与工业工程系博士生塞缪尔·欧（Samuel Au）开发了一种新的化学技术，该团队称之为“纳米级箭羽”（nanoscale fletching）。该技术在《自然-通讯》上发表的一篇论文中进行了描述。

在纳米尺度上模仿带羽毛的箭

“与典型的硅胶不同，我们将短链PDMS连接到基底材料上 —— 你可以把它们想象成刷子上的刷毛，”欧说。

“为了提高其排斥油的能力，我们现在加入了尽可能短的PFAS分子，它只包含一个碳原子和三个氟原子。我们能够在每根PDMS刷毛的末端键合大约七个这样的分子。”

“如果你能缩小到纳米尺度，它看起来会有点像你在箭尾靠近弓弦处看到的羽毛。那被称为箭羽（fletching），所以这就是纳米级箭羽。”

性能媲美PFAS，风险最小化

欧和他的团队将这种新材料涂在一块织物上，然后滴上各种油，观察其排斥效果。根据美国纺织化学师与印染师协会（AATCC）制定的标准，这种新涂层达到了6级，与许多标准的PFAS基涂层相当。

“虽然我们在此过程中确实使用了一种PFAS分子，但它是最短链的，因此不会发生生物累积，”戈洛温说。

“我们在文献甚至法规中看到的是，最先被禁止的是长链PFAS，而短链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。”

迈向无PFAS的未来

戈洛温表示，该团队愿意与希望扩大规模和商业化该工艺的不粘涂层制造商合作。与此同时，他们将继续研究更多的替代品。“该领域的终极目标是开发出一种性能超越特氟龙、且完全不含有PFAS的物质，”戈洛温说。

“我们还没有完全实现，但这是朝着正确方向迈出的重要一步。”

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