Un gruppo di ricerca dell'Istituto di Biofisica Teorica e Sperimentale dell'Accademia Russa delle Scienze ha sintetizzato un materiale perfetto per la protezione degli organi respiratori, ricerca analitica e altri scopi pratici. Un tessuto quasi senza peso realizzato con nanofibre di nylon con un diametro inferiore a 15 nm batte qualsiasi altro materiale simile in termini di filtraggio e proprietà ottiche.
Gli scienziati, il cui lavoro è pubblicato nel European Polymer Journal , caratterizzano il loro materiale come leggero (10-20 mg/m2), quasi invisibile (95 percento di trasmissione della luce, più di quello del vetro della finestra), mostrando una bassa resistenza al flusso d'aria e un'efficace intercettazione di <1 micrometro di particolato fine.
"Nanofibre" è più di una parola d'ordine nell'articolo dei ricercatori. In precedenza, lo stesso team ha dimostrato che la riduzione del diametro della fibra da 200 nm a 20 nm riduce di due terzi la resistenza del filtro al flusso d'aria, e che questo effetto non poteva più essere spiegato dall'aerodinamica classica. Quando le dimensioni di un ostacolo sono inferiori al percorso libero delle molecole di gas, i metodi standard di stima della resistenza aerodinamica basati sulla teoria del continuo non funzionano più. In condizioni normali, il cammino libero medio delle molecole d'aria è di 65 nm.
Il cammino libero medio è la distanza media percorsa da una molecola prima di scontrarsi con un'altra. Se tutti gli ostacoli sono maggiori di questo valore, il flusso libero che arriva a loro può essere considerato un mezzo continuo.
Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata elettrofilatura in cui un getto di un polimero disciolto viene espulso attraverso uno speciale ugello puntato su un bersaglio sotto l'influenza di un campo elettrico. L'etanolo è elettrospray dal lato opposto. Il getto di polimero e gli ioni alcool assumono cariche elettriche opposte. Scontrarsi nell'aria, formano film fibrosi ultrasottili. La tecnologia dell'elettrofilatura come metodo per produrre filtri in tessuto non tessuto è stata sviluppata negli anni '50 per purificare l'aria nell'industria atomica. Però, i ricercatori hanno introdotto un importante miglioramento. Invece di ottenere nanomat su un substrato conduttore solido, la nuova tecnologia ha prodotto un filtro libero che copre un foro di 55 mm in uno schermo in policarbonato non conduttivo.
Il lavoro pubblicato completa il ciclo degli articoli degli autori dedicati allo sviluppo della tecnologia di produzione e agli studi di nanofiltri fabbricati utilizzando questo nuovo processo. Le proprietà ottiche e filtranti uniche derivano da uno speciale meccanismo di "guarigione" di fori e difetti nei filtri indipendenti. Tali fori attirano letteralmente le fibre che atterrano sulla superficie del filtro. Di conseguenza, un buon filtro senza grossi buchi si può ottenere da una minima quantità di nanofibre, e di conseguenza, con una minima resistenza al flusso d'aria. Inoltre, la guarigione attiva di grossi fori tra le filettature conferisce ai filtri le proprietà insite nei filtri a pori calibrati, cosiddette membrane tracciate (nuclepori). Gli scienziati hanno anche dimostrato che il meccanismo di "guarigione" non funziona nella tecnica di elettrofilatura convenzionale in cui le nanofibre vengono depositate su un substrato conduttore in modo completamente casuale.
Il test del nylon-4, 6 pellicole elettrofilate hanno dimostrato che i tessuti quasi senza peso e invisibili intrappolano non meno del 98% delle particelle di polvere sospese nell'aria. Per il test, gli scienziati hanno utilizzato particelle da 0,2 a 0,3 micron di diametro. Ciò corrisponde approssimativamente alla quantità di polvere che non viene catturata dalla faringe nasale e penetra nei polmoni, causando una serie di condizioni mediche pericolose. particelle submicroniche ( <1 micrometro di diametro) sono quelli utilizzati anche per testare filtri industriali e medicali. Per valutare le prestazioni, viene testata anche la resistenza al flusso d'aria.
Finora sono stati fatti esperimenti per misurare la resistenza su singoli campioni. Nei filtri reali viene normalmente utilizzata una superficie multistrato con una configurazione complessa. Gli esperimenti hanno mostrato che il nylon-4, 6 materiale filtrante aveva le migliori proprietà tra tutti i tipi di tessuto precedentemente descritti. In termini di rapporto tra l'entità dell'intercettazione e il peso del filtro e il rapporto tra resistenza di intercettazione e flusso d'aria, il nuovo materiale filtrante batte più volte gli equivalenti esistenti.
Discutendo le possibili applicazioni di questo materiale, gli scienziati affermano che è più dell'ovvia purificazione dell'aria e dell'acqua dal particolato. Poiché il materiale supera il vetro in trasparenza, può essere utilizzato nella ricerca biologica. Per esempio, dopo aver pompato aria o acqua attraverso il nuovo filtro, i microrganismi intercettati possono essere osservati direttamente sul filtro trasparente al microscopio. Ancora, questo effetto è dovuto ai fili ultrasottili. Il loro spessore è significativamente inferiore anche alla lunghezza d'onda della luce visibile.
