Nella ricerca che potrebbe portare a filtri per maschere antigas migliori, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno puntato i riflettori sui raggi X sui materiali compositi nei respiratori utilizzati dai militari, Polizia Stradale, e primi soccorritori, e i risultati sono stati incoraggianti. Quello che stanno imparando non solo fornisce notizie rassicuranti sull'efficacia degli attuali filtri nel proteggere le persone da composti letali come VX e Sarin, ma forniscono anche informazioni fondamentali che potrebbero portare a maschere antigas più avanzate e dispositivi di protezione per applicazioni civili.

Il progetto al Berkeley Lab è guidato da Hendrik Bluhm, uno scienziato senior del personale con incarichi congiunti nella divisione di scienze chimiche e nell'Advanced Light Source (ALS). Nel suo team ci sono due ricercatori post-dottorato nella Divisione di Scienze Chimiche, Lena Trotochaud e Ashley Head. Il team del Berkeley Lab fa parte di una collaborazione più ampia che include ricercatori dell'Università del Maryland a College Park, Università John Hopkins, e il Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti.

I ricercatori hanno sottolineato che lo studio del modo in cui gli ossidi metallici interagiscono con i piccoli organofosfati potrebbe essere rilevante al di là delle maschere antigas utilizzate dai militari e dai soccorritori. Il lavoro che stanno facendo potrebbe avere applicazioni nelle tecnologie di rilevamento. Inoltre, forme meno potenti di organofosfati sono ampiamente utilizzate come pesticidi ed erbicidi, quindi i risultati potrebbero aiutare l'industria agricola e gli scienziati ambientali a capire cosa succede a queste sostanze dopo che sono state rilasciate nell'ambiente.

"Questo è un progetto in cui stiamo lavorando per aiutare a salvare vite umane, " disse Trotochaud. "Questo è molto appagante."

Per la testa, il progetto ha fornito un argomento di conversazione particolarmente rilevante nelle riunioni di famiglia.

"Mia cognata è nell'aeronautica, " disse Head. "Le stavo dicendo quello che faccio, e lei ha detto, 'Quando sono schierato, Ho una maschera antigas. Funziona?' Racconta ai suoi colleghi su cosa sto lavorando. Molto di ciò che facciamo nella scienza di base è molto lontano da un'applicazione. Mentre il nostro lavoro è ancora fondamentale, Ora posso dire alla mia famiglia cosa sto facendo, e capiranno davvero".

Le mascherine funzionano?

Gli attuali filtri per maschere antigas contrastano le minacce attuali, ma ci sono grandi lacune nella conoscenza su come farlo a livello molecolare, hanno detto i ricercatori. La domanda sorge perché molti dei filtri sono stati sviluppati per gestire un'ampia gamma di minacce chimiche in continua evoluzione e per funzionare in una varietà di condizioni diverse in tutto il mondo. Durante la prima guerra mondiale, agenti di guerra chimica erano prevalentemente cloro e gas mostarda.

Da allora, una nuova classe di armi chimiche è entrata in scena. Sarin e agente velenoso X, o VX, sono agenti nervini così chiamati perché interferiscono con la capacità del sistema nervoso di comunicare con i muscoli, compresi quelli che controllano la respirazione. Gli attuali materiali utilizzati nei filtri per maschere antigas forniscono una protezione efficace contro tutti questi composti, nonostante le proprietà chimiche molto diverse dei gas.

I filtri per maschere antigas includono carbone attivo, una famiglia di assorbenti che intrappolano le tossine in milioni di micropori. È lo stesso composto utilizzato per filtrare l'acqua e trattare l'ingestione di veleni. Il carbone attivo intrappola le tossine, ma nelle maschere antigas è ulteriormente potenziato con ossidi metallici, come rame e molibdeno, per aiutare ad abbattere le tossine.

"Anche se i primi filtri per maschere antigas sono stati sviluppati prima che emergessero questi nuovi agenti nervini, i filtri attuali sono efficaci nel catturarli, e sembrano anche bravi ad abbatterli, ma abbiamo ancora alcune domande sulla chimica di questo processo, " disse Trotochaud. "Sappiamo che funziona, ma non sempre sappiamo come fallisce. Sappiamo che i filtri a volte smettono di funzionare dopo un po' se esposti a questi composti organofosforici, quindi la chimica di come il materiale viene disattivato dopo l'esposizione a questi agenti è una parte importante di ciò che stiamo studiando".

I ricercatori del Berkeley Lab hanno preso di mira due ossidi metallici - ossido di molibdeno e ossido di rame - che sono componenti chiave di lavoro nei filtri per maschere antigas. Per simulare le piccole molecole organofosforiche di sarin e VX, i ricercatori hanno lavorato con dimetil metilfosfonato (DMMP), un proxy stabilito per il sarin con gruppi funzionali simili ma tossicità significativamente inferiore.

L'obiettivo è comprendere meglio le interazioni molecolari che si verificano quando vari gas vengono adsorbiti dai materiali del filtro della maschera antigas, e le condizioni ambientali – inquinamento atmosferico, scarico del gasolio, acqua – che potrebbe alterare le prestazioni e la durata di conservazione, così possono essere sviluppati anche materiali migliori.

"Gran parte del nostro lavoro iniziale si è concentrato sulla caratterizzazione, " disse Bluhm, ricercatore principale del progetto. "C'erano molti dettagli da risolvere. Cosa fa esattamente l'ossido di rame? Cosa fa l'ossido di molibdeno? Perché uno si comporta in modo diverso dall'altro? Capire dove sono le differenze può rendere questi materiali di filtrazione potenzialmente molto più efficienti".

Gli effetti del vapore acqueo sono stati di particolare interesse per il modo in cui vengono utilizzate le maschere, ha osservato Bluhm.

"È una maschera filtrante che si trova davanti alle nostre bocche, quindi c'è un'elevata umidità mentre ci respiriamo, " ha detto. "Tra i risultati pubblicati dal nostro progetto c'è che il vapore acqueo sembra essere neutro o addirittura benefico per le prestazioni dei materiali".

Questo è stato riportato in uno studio del 2016, che ha scoperto che l'esposizione all'acqua ha attivato la superficie composita in un modo che ha facilitato il legame della molecola DMMP, abbassando l'energia necessaria per scomporre la molecola.