La pandemia di COVID-19 ha gettato una dura luce sull'urgente necessità di tecniche rapide e facili per igienizzare e disinfettare oggetti quotidiani high-touch come maniglie delle porte, penne, matite, e dispositivi di protezione individuale indossati per impedire la diffusione delle infezioni. Ora gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del New Jersey Institute of Technology (NJIT) hanno dimostrato il primo flessibile, tenuto in mano, dispositivo basato su plasma a bassa temperatura, un gas costituito da atomi, molecole, ed elettroni e ioni fluttuanti, che i consumatori possono utilizzare rapidamente e facilmente per disinfettare le superfici senza una formazione specifica.

Recenti esperimenti mostrano che il prototipo, che opera a temperatura ambiente a pressione atmosferica normale, può eliminare il 99,99 percento dei batteri sulle superfici, compresi tessuti e metalli in soli 90 secondi. Il dispositivo ha mostrato un'efficacia del 99,9999% ancora più elevata se utilizzato con il perossido di idrogeno antisettico. Gli scienziati pensano che sarà altrettanto efficace contro i virus. "Lo stiamo testando proprio ora con virus umani, "ha detto il fisico PPPL Sophia Gershman, primo autore di un articolo in Rapporti scientifici che descrive il dispositivo e la ricerca dietro di esso.

Risultati positivi ben accetti

I risultati positivi sono stati i benvenuti al PPPL, che sta ampliando i suoi portafogli di ricerca sulla fusione e scienza del plasma. "Siamo molto entusiasti di vedere i plasmi utilizzati per una gamma più ampia di applicazioni che potrebbero potenzialmente migliorare la salute umana, " ha detto Jon Menard, vicedirettore per la ricerca presso PPPL.

Il dispositivo portatile flessibile, chiamata scarica a barriera dielettrica (DBD), è costruito come un panino, ha detto Gershman. "È una fetta di pane ad alta tensione sul formaggio che è un isolante e un pezzo di pane messo a terra con dei buchi, " lei disse.

La fetta di "pane" ad alta tensione è un elettrodo fatto di nastro di rame. L'altra fetta è un elettrodo con messa a terra modellato con fori per consentire il flusso del plasma. Tra queste fette si trova il "formaggio" di nastro isolante. "Fondamentalmente è tutto nastro flessibile come lo scotch o il nastro adesivo, " Gershman ha detto. "L'elettrodo di terra è rivolto verso gli utenti e rende il dispositivo sicuro da usare".

Il plasma a temperatura ambiente interagisce con l'aria per produrre le cosiddette specie reattive dell'ossigeno e dell'azoto, molecole e atomi dei due elementi, insieme a una miscela di elettroni, correnti, e campi elettrici. Gli elettroni e i campi si uniscono per consentire alle specie reattive di penetrare e distruggere le pareti cellulari dei batteri e uccidere le cellule.

Plasmi a temperatura ambiente, che si confrontano con gli studi PPPL sui plasmi di fusione che sono molte volte più caldi del nucleo del sole, sono prodotti inviando brevi impulsi di elettroni ad alta velocità attraverso gas come l'aria, creare il plasma e non lasciare il tempo che si riscaldi. Tali plasmi sono anche molto più freddi dei plasmi a mille gradi che i laboratori studiano per sintetizzare le nanoparticelle e condurre altre ricerche.

Una caratteristica speciale del dispositivo è la sua capacità di migliorare l'azione del perossido di idrogeno, un comune detergente antisettico. "Dimostriamo una disinfezione più rapida rispetto al plasma o al solo perossido di idrogeno in un funzionamento stabile a bassa potenza, " scrivono gli autori. "Quindi, attivazione plasmatica di una soluzione di perossido di idrogeno a bassa concentrazione, l'utilizzo di un dispositivo DBD flessibile portatile si traduce in un notevole miglioramento della disinfezione."

Nuova collaborazione

Il raggiungimento di questi risultati è stata una nuova collaborazione che ha riunito l'esperienza di fisica del plasma di PPPL e il know-how biologico di un laboratorio dell'NJIT. "Mentre di solito siamo un laboratorio di neurobiologia che studia la locomozione, eravamo ansiosi di collaborare con PPPL su un progetto relativo a COVID-19, " disse Gal Haspel, un professore di scienze biologiche al NJIT e coautore del documento.

L'esecuzione dei test di disinfezione al plasma è stata la co-autrice Maria Benem Harreguy, uno studente laureato in scienze biologiche presso NJIT, con l'assistenza di Gershman. "Ha fatto tutti gli esperimenti e senza di lei non avremmo questo studio, " ha detto Gershman.

L'idea per questa ricerca è iniziata "non appena siamo entrati nel blocco COVID lo scorso marzo, " ha detto il fisico e co-autore PPPL Yevgeny Raitses, che dirige la Princeton Collaborative Temperature Plasma Research Facility (PCRF), una joint venture di PPPL e Princeton University supportata dal DOE Office of Science (FES) che ha fornito risorse per questo lavoro attraverso un progetto utente. "Noi di PCRF stavamo pensando a come aiutare nella lotta contro il COVID attraverso la nostra ricerca sul plasma a bassa temperatura, ed è stato emozionante per noi continuare questa collaborazione, " Egli ha detto.

Raitses ha guidato la parte PPPL del progetto, che includeva l'impostazione del DBD sulla base di un design della superficie stampata e la caratterizzazione della scarica al plasma in questo dispositivo, e ha supervisionato la collaborazione in corso con NJIT. Andando avanti, Egli ha detto, "stiamo lavorando per ottenere l'accesso a una struttura in cui saremo in grado di applicare il DBD e altri dispositivi pertinenti contro il virus SARS CoV-2" che causa il COVID-19. "Sono in corso anche ricerche con immunologi e virologi presso la Princeton University e la Rutgers University per espandere l'applicabilità dei dispositivi al plasma sviluppati a una gamma più ampia di virus".