Quando il COVID-19 è stato dichiarato pandemia nel marzo 2020, Parans Paranthaman dell'Oak Ridge National Laboratory si è trovato improvvisamente a lavorare da casa come milioni di altri.

Un Corporate Fellow nella divisione di scienze chimiche del laboratorio, si è subito reso conto che il suo background in chimica e materiali allo stato solido poteva avvantaggiare la comunità sanitaria che necessitava di apparecchiature in grado di filtrare le particelle di dimensioni nanometriche di COVID-19.

"Merlino Teodoro, che guida gli sforzi di ricerca presso il Carbon Fiber Technology Facility, mi ha chiamato e mi ha detto "Ho bisogno di capire quale materiale funzionerà meglio sulla nostra linea di produzione per realizzare i media filtranti per maschere N95, e ho bisogno di saperlo ieri, '" ha ricordato Paranthaman. "E ha chiesto se potevamo usare neutroni e strutture di nanoscienza per dimostrarlo".

Theodore fa parte di un team guidato da ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, che stava coordinando una risposta alla ricerca manifatturiera COVID-19 come parte del Laboratorio nazionale di biotecnologia virtuale del Dipartimento dell'energia. Il team ha anche consultato Peter Tsai, un professore in pensione dell'Università del Tennessee che ha inventato il processo di carica elettrostatica per la creazione di media filtranti N95, per imparare come incorporare la capacità presso la CFTF.

"Non avevamo mai tentato qualcosa del genere prima in questo tipo di lasso di tempo, "Paranthaman ha detto. "Stavamo intensificando la ricerca che avrebbe dovuto richiedere un anno o più in un periodo di poche settimane con l'uso dell'industria entro l'estate".

"Ma non c'è nessuna sfida che io non abbia ancora affrontato. Lo scopo della mia ricerca è trovare soluzioni".

Focus in polipropilene

I risultati della ricerca di Paranthaman sui media filtranti N95, recentemente pubblicato in Materiali polimerici applicati ACS , delineare la scienza dietro ciò che ha portato alla produzione di successo di materiale da parte dell'ORNL sulla linea di produzione dei precursori della CFTF. La tecnologia è stata successivamente trasferita in base ad accordi con gli utenti a due partner del settore, Cummins e DemeTECH, per uso commerciale, portando alla fornitura di milioni di maschere in tutti gli Stati Uniti, oltre ad aggiungere migliaia di posti di lavoro.

Essendo uno dei primi studi sul polipropilene, noto anche come PP, per quanto riguarda il COVID-19, L'articolo di Paranthaman funge da guida per comprendere come un nuovo virus risponde ai materiali a base di polimeri. Il PP è stato a lungo il materiale standard del settore per la filtrazione, ma capire quali composti commerciali o precursori del materiale sono più adatti per la produzione di massa di solito richiede lunghi tentativi ed errori.

"Abbiamo avuto una situazione unica con COVID-19. In primo luogo, è un nuovo virus di cui non si sa molto. Secondo, è piccolo, che vanno da 60 a 140 nanometri, il che significa che le particelle sono in grado di penetrare nelle più piccole aperture. E terzo, non abbiamo avuto tempo per gli errori, "Spiegava Paranthaman. "Dovevamo avere un materiale che potesse filtrare più del 95 per cento di queste particelle submicroniche. Doveva essere praticamente impermeabile, ma allo stesso tempo, deve essere traspirante."

La maschera N95 è realizzata in PP a due strati, un materiale non tessuto permanentemente caricato elettrostaticamente con milioni di microfibre sovrapposte l'una sull'altra per formare un foglio. La squadra di Theodore al CFTF ha usato il soffiaggio a fusione, che trasforma le microfibre in un tessuto estrudendo una resina polimerica attraverso uno stampo ad alta velocità dell'aria, per produrre tre campioni di PP di qualità commerciale per Paranthaman da valutare.

"Abbiamo utilizzato diversi metodi di caratterizzazione all'ORNL per comprendere meglio l'efficienza del filtro del PP e abbiamo fatto appello ai punti di forza delle strutture degli utenti come il Center for Nanophase Materials Sciences e la Spallation Neutron Source, " ha detto Paranthaman.

I metodi di caratterizzazione includevano la calorimetria a scansione differenziale per misurare la quantità di energia trasferita tra le fibre soffiate allo stato fuso; Diffrazione dei raggi X per comprendere l'orientamento dei cristalli o la consistenza delle fibre; e diffusione di neutroni per studiare la vibrazione molecolare. La microscopia elettronica a scansione è stata utilizzata per comprendere la disposizione delle fibre soffiate allo stato fuso e la loro microstruttura e per caratterizzarne i diametri.

"E' importante capire quante particelle si ferma il filtro, " ha detto Paranthaman.

Il team ha utilizzato particelle di aerosol di cloruro di sodio che imitavano le dimensioni di COVID-19 per penetrare nel filtro, quindi misurato le particelle mentre incontravano il PP. Due strati della fibra soffiata allo stato fuso sono stati impilati insieme per la prova ad una portata d'aria di 50 litri al minuto.

Risultati cristallini

La ricerca di Paranthaman ha rivelato che mentre le materie prime erano quasi identiche nella composizione, si sono comportati in modo molto diverso quando caricati. La differenza più notevole era nella cristallizzazione, o come il materiale solidifica atomi e molecole in una forma strutturata.

"Abbiamo confrontato il materiale PP caricato e non caricato con un additivo e senza, " Paranthaman ha spiegato. "La cristallizzazione ha avuto un chiaro impatto sulla capacità del materiale di filtrare in ogni esempio; un numero maggiore di cristalliti forma una carica elettrica più forte, portando a una filtrazione più efficace."

I risultati della ricerca hanno inoltre determinato che il materiale che ha temperature di inizio della cristallizzazione più elevate, cristallizzazione più lenta e un numero maggiore di i cristalliti microscopici sono più efficaci nella filtrazione. Lo studio di Paranthaman sui campioni di PP ha mostrato quale materiale era in grado di soddisfare l'obiettivo di filtrazione in termini di peso del tessuto, efficienza, resistenza, dimensione del diametro della fibra e percentuale di carica elettrostatica.

Entro la fine di aprile, la CFTF produceva materiale che filtrava il 99% del virus. entro maggio, la tecnologia è stata trasferita all'industria.

Il team di ricerca ha vinto il Director's Award dell'ORNL per il supporto alla missione per il rapido sviluppo del mezzo filtrante N95 e il trasferimento di tecnologia. Ma, Paranthaman ha detto, il lavoro scientifico sui media filtranti N95 è appena iniziato.

"Questo documento ha fornito uno sguardo tridimensionale ai materiali in modo da poter vedere tutti i cambiamenti nella fibra carica rispetto a quella non carica, " ha detto Paranthaman. "Sapevamo che la ricarica riduce il diametro della fibra, Per esempio, ma cambia anche la porosità, e questo è fondamentale per le prestazioni del materiale. Il nostro documento di follow-up delineerà chiaramente le differenze tra carica e non carica e fornirà una visione ancora maggiore dei media filtranti N95".

Il titolo di Materiali polimerici applicati ACS articolo è "Polimeri, additivi, ed effetti di elaborazione sulle prestazioni del filtro N95."