致力于让高浓度负氧离子进入千万家的创新者啊1

——记清华大学天津高端装备研究院先进制造研发中心主任张晓昊

文/马利豪 赵琰

当大家畅游自然景区之时,不知是否关注过某些景区的空气质量检测结果?在宽大的显示屏上,排在被大家熟知的PM2.5之前的,竟然有负氧离子的含量,其实,这并不奇怪。世界卫生组织规定,清新空气中,负氧离子的含量浓度应高于1000~1500个/立方厘米之间,而在日常生活的城市中,空气中负氧离子的含量只有300~500个/立方厘米,居室内由于空气不流通,含量更低,多数在200~300个/立方厘米。长期在这种质量的环境中生活,不利于人体健康,容易导致人体处于亚健康状态,还可能引发其它疾病。而有一位学者,偏偏喜欢和不如意的场景较劲,正是这种执着,使得他和团队成员研制发明出医疗保健级高浓度负氧离子浓缩液,可以使居室内获得稳定长效的6000个/立方厘米以上的高浓度小粒径负氧离子,而世卫组织认为,浓度达到4000个/立方厘米的环境,就具备养生保健功效。

他叫张晓昊,清华大学机械工程博士、博士后,高级工程师,现任清华大学天津高端装备研究院先进制造联合研发中心主任兼清华大学天津高端装备研究院智能安防所所长,获评江西省“千人计划”。

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两种效应,电气石发挥新用

张晓昊介绍说,负氧离子又叫空气负离子、负离子,是带负电荷的含氧离子基团的总称,当空气中分子收到外界能量发生电离时,将产生自由电子,因空气中氮气性质非常稳定,其电子亲和力很低,不会跟电子结合,故而自由电子主要跟氧气分子结合形成负氧离子。在自然界中,产生负氧离子的途径比较多,一般宇宙射线、瀑布冲击、电闪雷鸣、暴雨、树木尖端放电及绿色植物光合作用都会在空气中产生负氧离子。

人们到海边或者山林中旅游,会觉得神清气爽,心情舒畅,其中一个原因就是负氧离子对人体的精神系统起到了刺激作用,而且这一点已经得到了学术界广泛的认可。相关研究资料表明,负氧离子具有极佳的净化除尘功效,并可以中和甲醛、减少二手烟危害、预防呼吸道疾病、清除体内自由基、改善睡眠质量、降低血液粘稠度,还有抗氧化、防衰老的效果,在医学界享有“维他氧”“长寿素”“空气维他命”等美称,所以,在生活中适当补充负氧离子有利于促进身体健康,延缓衰老。

而经常生活在都市内的人群,根本不具备呼吸到富含高浓度负氧离子空气的条件,也无法体验到负氧离子带来的巨多好处。张晓昊团队就是基于提升人们生活品质、为人们提供更多健康环境的目的,开始了研发之旅。经过无数次实验之后,他们确定了一种叫做电气石的天然宝石作为主要配方材料。电气石俗称碧玺,可以作为配饰佩戴装饰,同时也是一种天然极性材料,它具有两个重要特性,分别是热释电效应和压电效应。基于这两种效应的存在,当环境温度和压力发生波动——即使是微小的波动时,也会在晶体颗粒的两端积累电荷,继而引起电气石晶体之间电势差。团队成员将电气石再加工、再处理,用特殊的工艺将其制成纳米级别的颗粒,众多颗粒交织在一起,某个颗粒的正极会与另一个颗粒的负极彼此接近,产生微量电荷。当纳米级别的电荷被放大后,其产生的静电电势差很大,其产生的能量足以使空气发生电离,导致原子外层的电子跃迁产生自由电子,空气中的自由电子的大部分被氧气获取,形成负氧离子。

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三人成团,小想法促成新产品

绝妙的产品背后不乏奇思妙想。张晓昊研制的这种新型负氧离子浓缩液的想法来源于三位清华校友的思想碰撞。5年前,一位在新加坡国立大学攻读建筑环境专业的博士,同时也是清华校友,经过思考之后,抛出了能否采用某种方式来提高室内负氧离子的含量的想法。问题的绣球被另外一位化学系的清华博士接住,他提出了使用电气石来提高负氧离子浓度的猜想,并给出了相应的配方,张晓昊又将接力棒接住,力求将配方变为现实。

最初的配方采用的是粉体材料,虽易于获取却存在某些缺陷,首先是应用受到限制,已经装修好的墙面基本不可能在施工时重复铲掉重刷,使用过硅藻泥或者乳胶漆的朋友都会有类似体验。再者,因粉体材料接触面积的问题,其负氧离子的释放量也较难得到提升,与最初的设想存在差距。改进的过程是曲折的,多种想法通过实验方式一一验证。比如,为产生巨大的电势差,如何确定纳米颗粒的平均粒径更合适?将纳米颗粒调配成无色透明的液体之后,其酸碱度保持在哪个范围比较合适,以便与家具或者墙壁表面接触后不会使其变色、变质?

一个个具体的问题被一一攻克,从开始的小想法,到初步的配方,再到多次实验后基本定型,四年的时间过去了。但张晓昊和两位清华校友却没有放弃希望,最终,一种特殊添加剂的采用,大幅度提高了电气石粉的效果,接着,他们又提出了将这种新型负氧离子生成剂以喷剂的形式来向市场推广的想法并付诸实施。喷剂的优点很多,使用方便是基本的一点,无论是新装修房子还是已装修完毕的,都可以使用。另外,喷剂的纳米颗粒附着在墙壁或者家具表面,所有纳米颗粒能够与空气产生足够的接触面积,有效提升了负氧离子含量。

张晓昊团队还运用到了先进的分子自组装技术,使得纳米颗粒在物体表面形成相对比较均匀的附着,并采用特殊添加剂、蓝光照射等多种方式来提高纳米颗粒与墙面、油漆、织物、木材、塑料、皮革等常见表面的结合力。喷过之后,只要不使用过大的外力擦拭,纳米颗粒就可以得到持续性的附着、保持,同时持续释放出高浓度的负氧离子。

在采访中,张晓昊很自信地告诉记者,该产品技术现已成熟,专门的生产线已建成,开始小批量试生产。产品在2020年6月开始正式投放市场,经过跟踪调查测试,用户反映效果不错,很快会面向广大市场推广,届时,线下线上都可以见到这种负氧离子浓缩液喷剂的身影。

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十年有效,负离子保障新生活

那么,这种负氧离子浓缩液喷剂会怎样影响人们的生活呢?喷过之后,是否可以保持一劳永逸而不会衰减呢?张晓昊非常耐心地解答了这一疑问。张晓昊坦言,根据对电气石这种材质性能的了解,保守地讲,它具有十年的有效期,在十年之内,可以持续性产生高浓度的负氧离子。电气石粉电离空气产生自由电子是一个纯物理过程,过程中电气石粉本身并不产生任何消耗,就此而言,喷剂的作用是长效的,但从更科学严谨的角度出发,其效力还需进一步观察和检测。

负氧离子喷剂的应用范围非常广,可以说,只要是人们生活、工作、活动的场所,诸如学校、办公室、医院、甚至是汽车内,都可以使用。负氧离子的浓度高低,对于人体的健康影响程度是不同的,它对健康的作用有着明显的分级。当空气中负氧离子的浓度在1500~2000个/立方厘米范围内时,可以将当下的空气称之为清新空气;当浓度超过2100个/立方厘米时,负氧离子就会对人体产生一定的保健作用;浓度再高,超过4000~5000个/立方厘米时,就具有医疗作用了。而在喷剂的实验室测试中,近距离的负氧离子数值已高达8000~10000个/立方厘米,很惊人的含量,所以,将该浓缩液喷剂定位可产生医疗保健级高浓度负氧离子,是有科学道理的。

负氧离子还可以和空气中的某些有害成分发生反应,比如,人们比较熟知的有害物质甲醛,就可以被负氧离子中和分解为二氧化碳和水。负氧离子本身带负电,具有静电吸附作用,可以把空气中的灰尘微粒聚成大颗粒,当颗粒大到一定程度,就无法在空气中悬浮而沉降到地面上,所以说,负氧离子具有净化除尘的作用。张晓昊还补充介绍说,由喷剂产生的负氧离子是小粒径的,只有这样,才能让负氧离子移动距离大于100厘米。而人体细胞膜孔直径仅有0.4~1纳米,只有小粒径负氧离子才能穿透人体屏障,真正地发挥健康保健作用。

张晓昊根据不同场所有害成分的多少,将喷剂分为家用和车用两种进行了先期市场推广。目前,负氧离子生成剂喷剂已经在一些学校、办公室投入使用。在与某地产商合作的项目中,喷剂取代了传统的甲醛处理方式,已经明显缓解了新装修房后的甲醛含量。在车企方面,已经有两家大型企业完成了样车测试,有希望进行更紧密的合作。张晓昊还和船舶公司进行了合作,以便于提升标准化舱室的空气质量。相信该产品经过张晓昊及其团队成员的进一步研究和多方面改进,会应用在更多场合,为更多人群提供健康服务。

一项技术,新观点谋划新趋势

张晓昊博士和博士后都是在清华大学度过的,当时他所在的实验室叫摩擦学国家重点实验室,主要研究机械摩擦副中各种摩擦摩损及润滑问题。摩擦学属于机械与化学的交叉学科,在其研究范围内会涉及到一系列添加剂,而在那时积累的技术基础,最终被张晓昊灵活应用到如何将喷剂中的纳米颗粒均匀分散在物体表面这一环节,是名副其实的学以致用。

谈及将来的科研规划,张晓昊还是希望将主要的经历集中在负氧离子方向。现在该喷剂产品主要侧重于家用和车用,但张晓昊希望能够将其功能和应用范围进一步推广,开发出一系列产品,实现市场精准定位。对于具体的方向,张晓昊举了一个例子。比如,在开放式的办公室内如何营造3立方米空间范围的、属于自己的高浓度负氧离子微环境?他们计划尝试一种叫做高压喷泉的新技术来实现这一新课题。

张晓昊认为,负氧离子在未来的发展趋势和发展前景会非常好,因为大家对自身周围空气质量的关注度越来越高。消除甲醛的产品销路就很火,空气净化器已成为北方多数家庭的必备家电。相比于目前广泛采用的高压电离技术,张晓昊及其团队所研发的负氧离子浓缩液产生负氧离子的过程无需能源消耗,小粒径负氧离子占比高,还能够有效避免高压电离技术伴生臭氧问题,因而技术在国内处于领先地位。经过小批试制后,其生产成本在预期之内,百姓可以承受,故而具有广阔的未来。

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