原文发表于2024年4月《自然-水》
Walking-induced electrostatic charges enable in situ electroporated disinfection in portable water bottles
行走静电实现水杯直接即时、按需安全消毒
人走的每一步都会因脚与地面的摩擦而产生静电。本研究提出了一种新概念消毒水瓶，可以通过利用身体在步行10分钟内产生的摩擦静电，巧妙地驱动极低能耗、易集成的限域电场电穿孔消毒技术，在手持水瓶中杀死病原体。
研究背景
饮用水中微生物消毒是保障公共健康的关键环节。如果可以实现对水杯、水壶等容器中存放的水进行直接、原位消毒，将有效保障饮用安全，成为确保用水安全的最后一道防线。但是现有消毒技术（氯消毒、紫外消毒、膜过滤消毒）主要应用于集中式处理，并依赖药剂或电力资源，难以实现在每个水杯中按需及时地快速消毒。限域电场电穿孔是一种基于物理机制的快速消毒技术，利用限域强化电场，可有效损伤细菌细胞膜或病毒衣壳。虽然电穿孔消毒技术具有极低能耗、易集成的核心优势，但在实际运行中，仍旧需要常规能源的不间断输入。
研究方法
人走的每一步都会因脚与地面的摩擦而产生静电。这种人类没有注意到的电会传播到全身。本研究创新地将人体行走时产生的身体静电收集起来，有效地传导到水杯中的电穿孔电极。由于电穿孔所需能耗极低，即使行走产生的摩擦静电也足以有效驱动微生物消毒。在饮用前，仅需手持水杯行走数分钟，即可实现对水中微生物完全消杀（灭活率>99.9999%）。获益于电穿孔基于物理而非化学反应的消毒机制，该装置中所使用电极稳定，可连续使用超过80个循环，在此过程中无显著材料流失，保障了直接饮用安全。
主要发现
人体在行走时会产生静电，积累在体表、指尖、发梢。当人的手指接触到水杯外壁的导电胶带，形成一条低电阻通路，身体静电会收集到导电胶带上。进一步利用导线将导电胶带与电穿孔电极连接，在行走时，则可产生源源不断的身体静电，并集中到电穿孔电极表面。
图1. 行走静电驱动水杯电穿孔消毒技术原理。
(a) 行走静电驱动水杯消毒概念图；(b) 静电在水杯中传导通路；(c) 基于纳米压印技术制备纳米柱修饰电极；(d & e) 纳米柱尖端原子力显微镜测试；(f) 纳米柱尖端电荷聚集测试；(g) 纳米柱尖端电荷聚集与区域电场模拟。
人体运动产生静电具有电压高、功率低的特点，恰好与电穿孔依赖电荷积累而非电化学反应这一特点匹配，可产生可观电荷，用于局部电场强化。在持续踏步行走的过程中，可实现对水中多种微生物（大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、MS2噬菌体）的完全杀灭。
图2. 行走静电输出与电穿孔消毒特性评价。
(a) 行走静电输出测试图；(b) 行走静电测试；(c & d) 不同材质鞋子在行走时输出特性；(e) 实验室消毒装置结构；(f & g) 不同细菌消毒特性；(h) 不同踏步频率消毒特性；(i) 连续消毒实验。
本研究发现在静电驱动限域电场电穿孔消毒后，细菌表面出现微小穿孔、病毒表面发生破损。利用分子动力学模拟细胞膜结构，发现在强电场中，细胞膜仅需5 ns即可发生表面穿孔。进一步利用单细胞拉曼技术，荧光显微镜技术，生物化学测试等多种手段证实细胞膜在强电场中快速损伤。上述分析均证实了电穿孔消毒机制。
图3. 行走静电驱动电穿孔消毒机制解析。
(a) 消毒前后细菌形貌变化；(b) 消毒前后病毒形貌变化；(c) 分子动力学模拟电场中细胞膜结构；(d & e) 单细胞拉曼技术解析细菌细胞膜结构；(f) 荧光显微技术解析细菌结构；(g) 消毒前后细菌细胞膜电位变化；(i) 纳米柱与平板电极对照实验。
本研究基于实验室测试构建行走静电消毒水杯。在塑料水杯外壁粘贴导电铝胶带，通过导线将铝胶带与电穿孔电极连接。饮用前将水倒入杯中，手握铝胶带行走，即可实现对杯中水的高效消毒。以2 Hz步频行走7分钟后，可对杯中500 mL水实现多种微生物完全杀灭，同时对自来水、河水、湖水等多种水质均有效。此外，由于行走时产生静电功率极低，且杯中电穿孔电极采取在有机高聚物上压印制备，消毒时电极保持稳定，在连续测试过程中无显著材料流失现象发生，可保障直接饮用安全。
图4. 行走静电消毒水杯构建。
(a) 消毒水杯照片；(b) 步频对消毒效果影响；(c) 水质对消毒效果影响；(d) 消毒水杯连续消毒解析；(e) 消毒后电极流失解析；(f - h) 消毒水杯处理前后活性微生物浓度；(i) 离散式消毒技术保障最后一米用水安全。
总结与展望
本研究实现了行走静电的高效收集，并巧妙地将其应用于驱动低能耗、易集成的限域电场电穿孔消毒，实现了在水杯中细菌病毒的原位、直接、快速消毒。在不依赖任何电力、阳光等能量输入的情况下，仅需在饮水前手持水杯行走几分钟，即可实现对水中微生物按需消杀。通过一体化压印制备的高分子电极可聚集行走电荷，有效实现基于非电化学机制的电穿孔消毒，在长期运行过程中保持稳定，保障消毒后直接饮水的安全。我们的工作成功地为水处理提供新的范式，即选取低能耗、易集成的新技术，用于饮用前的直接处理。作为安全用水多级屏障的最后一步，有效消除了用水前潜在的生物风险，保障了“最后一米”的用水安全。
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主要作者简介
Kim Young-Jun
School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, Republic of Korea.
Center for Human-Oriented Triboelectric Energy Harvesting, Yonsei University, Seoul, Republic of Korea.
Huo Zheng-Yang (霍正洋)
School of Chemistry and Life Resources, Renmin University of China, Beijing, People’s Republic of China
Wang Xiaoxiong (王潇雄)
Institute for Ocean Engineering, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen, People’s Republic of China.
Center of Double Helix, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen, People’s Republic of China.
Kim Sang-Woo
Center for Human-Oriented Triboelectric Energy Harvesting, Yonsei University, Seoul, Republic of Korea.
Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University, Seoul, Republic of Korea.
doi: 10.1038/s44221-024-00226-5
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