紫外线照亮了道路

COVID-19的爆发几乎立即造成了全国前所未有的个人防护装备短缺，这是卫生保健工作者和其他寻求防止病毒传播的人所需要的。用于一线卫生工作者一次性使用的N95口罩正在被清洗和重复使用。问题来了:它们干净吗?他们是安全的呢?它们仍然有效吗?

随着COVID-19病例在大型人群在封闭空间(如船舶、医院、教堂和监狱)呼吸循环空气的地方激增，越来越清楚的是，需要解决方案对重复使用的口罩进行消毒，以及对共用表面和空间进行消毒，并在循环空气中中和病毒。

紫外光——即发射波长很短的紫外光——在这两方面都很有前景。一些监狱和监狱已经开始使用顶部装有圆柱形紫外线灯的机器人来净化牢房和共享空间，比如餐厅。紫外线会伤害人的皮肤和眼睛，所以在机器人通过之前，房间就被清空了，对里面的一切进行消毒。

在过去的20年里，加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院的固态照明和能源电子中心(SSLEEC)一直是开发强大和节能的固态LED照明的世界领导者。在过去的15年里，小型SSLEEC的研究工作集中在开发紫外线波长在200-280纳米(UVC)的led上，主要着眼于世界上缺乏水处理基础设施的地区的水净化。UVC灯已经被市政水厂使用了几十年，因为它们会破坏许多微生物的DNA，使饮用水变得安全。

虽然我们从太阳中接收到UVA和UVB形式的紫外线，但用于净化空气和水、灭活微生物的紫外线——UVC只能通过人为的过程产生。据材料教授和SSLEEC的联合主任Steve Denbaars说，该中心的UVC工作在过去的四年里加强了。与此同时，由于政府对UV LED的资助极其有限，许多其他美国大学已经完全停止了这项工作。

直到最近，UVC净化系统——无论是在城市水处理厂，还是背包客用来净化水的SteriPEN设备——都不是通过半导体led实现的，而是通过汞蒸气灯实现的。如果容器中的玻璃破裂，水银就会释放出来，使装置失效。

使用水银灯消毒封闭空间的一个大缺点是，它们需要很大的电压来运行，这对于一个需要在停电期间依靠电池备份运行的便携式设备来说是很难实现的。但是，Denbaars说，led体积小，无毒，耗电少，本质上是防震的，“可以在任何地方使用”。“你甚至可以想象在手机上安装一个紫外线LED，如果别人接触了它，就可以给它消毒。”

当校园实验室被勒令暂时关闭以应对疫情爆发时，一些被认为是“必要研究”的例外情况出现了。SSLEEC的UV项目就是其中之一。“在covid之前，我们有一个博士生在研究它;现在我们有5个。“一旦我们被宣布为必要研究，我们就把人们从白色LED项目转移到UV LED项目。”

对于COVID, Denbaars说，“你有一个转折点应用，因为你不能通过喷洒来净化整个房间，你也不能通过喷洒高乐氏来净化你的食物。你甚至不能用高乐氏或酒精去清洁你的面具。但你可以用紫外光去污。另一种净化口罩的方法是使用蒸汽双氧水，但要做到这一点，你必须购买一个专门为双氧水制作的反应器，这很贵，这个过程只能让你使用口罩大约三次。”

预览的研究——不是UCSB研究者——即将发布的国家过敏症和传染病研究所的四个方法相比消毒N95防护口罩:用紫外线治疗他们,与热(150华氏度),以70%的乙醇溶液和汽化过氧化氢(介绍)。

VHP和乙醇对引起COVID-19的SARS-CoV-2的失活率最高;然而，经过两轮使用后，VHP和乙醇处理的口罩显示过滤性能明显下降。热处理口罩的性能一直低于紫外线处理口罩，并没有有效的功能后，两次去污。

此外，SSLEEC的四年级博士生Chris Zollner说:“在这项研究中，研究人员将面罩放置在远离紫外线LED的地方，导致低剂量的紫外线辐射，所以他们需要很多时间来让紫外线消毒效果良好。”我怀疑，如果他们把紫外线引导装置放在离面罩更近的地方，它就会被更快地消毒。”

在目前的效率和功率下，UVC led能够在不损坏口罩的情况下净化口罩，随着功率和效率的提高，Denbaars说，他预计消毒时间会缩短到几秒钟。事实上，今年4月，作为SSLEEC行业赞助商的首尔半导体公司在报告其UVC LED灯在30秒内完成了对冠状病毒99%的灭菌后，收到了数百份订单。

Denbaars说，这种流行病已经引发了关于紫外线LED研究资金的讨论。他说:“我认为融资环境将会改变。”“政府人员现在打电话给我们，问我们需要什么才能让UV LEDs真正高效。”

目前，LED发出的UVC光的效率只有大约3%，这使得它们在低功耗便携式应用中最为有效，就像在一些装有UV LED的水瓶里看到的那样，而你在商店里买的LED灯泡的效率约为60%。“所以，我们可以做20倍的改进，”Denbaars说，“这是材料科学中一个复杂的过程。为了增加功率，我们需要提高LED的效率，这涉及到我们做了很多提高LED灯泡效率的事情，但是对于UV波长，我们要重新做一遍。”

Denbaars领导的团队使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长半导体材料;UCSB材料教授James Speck描述了新材料的特点;该装置由诺贝尔奖得主中村修二设计。他们共同开发了一种新材料，通过在硅基板上沉积一层半导体合金氮化镓铝薄膜制成。

Denbaars说:“目前的UVC消毒灯，比如汞蒸气灯，有254纳米的固定光发射。”“然而，许多细菌、真菌和病毒在不同的波长被更有效地杀死。UCSB正在开发的AlGaN材料系统允许更灵活地微调LED的UVC光发射，这将使针对特定微生物成为可能。氮化镓铝是唯一能提供正确波长光线的半导体，UCSB是研发这种半导体的世界领导者。”

根据Zollner的说法，UVC led的材料挑战在于需要大量的铝来增加导电性电子的能量，这些电子可以与带正电荷的空穴重新结合，释放出以紫外光形式存在的高能光子。但是铝原子与晶体内的氮原子结合非常紧密，这使得原子级控制晶体生长变得更加困难，因此通常需要昂贵和费时的方法来在蓝宝石上制造一个有效的UV LED。当许多其他实验室和公司都在这个领域工作时，UCSB已经开发了一种新工艺:用碳化硅代替蓝宝石，该团队能够使用简单得多的传统外延方法来生产高质量的AlN和AlGaN材料。(蓝宝石是绝缘体，结构与AlN不同，SiC是一种与AlN结构相似的半导体材料。)

用于空气循环的供暖和空调系统是改善污染的另一个大目标。先进的高效微粒(HEPA)过滤器是用来过滤3微米以下的颗粒。然而，一旦被过滤系统捕获，病毒会随着干燥而收缩，这可能使它们能够通过过滤器，然后再循环到飞机、轮船或手术室，在那里它们可能会感染人类。在缺乏高效微粒空气过滤器的环境中，例如在航空母舰上，病毒只是被重新分配。

Denbaars说，有了强大、高效的UVC led，“你可以让空气通过光隧道来净化它;你只需要足够多的光子撞击足够多的空气。过去人们认为在地铁、轮船和其他人们聚集的封闭空间安装污染装置会很好。冠状病毒已经将其列为首要任务。”

Denbaars说，从长远来看，“我们的目标是改用对皮肤和眼睛安全的较短波长的紫外线，这样即使有人在场也能安全去污。”你可以在医院手术台、海军舰艇、潜艇、飞机、监狱等场合一直开着灯。我认为，我们离那还差几年，而不是几十年。”