La maggior parte dei materiali contenenti carbonio può essere convertita in grafene utilizzando un sistema laser a infrarossi a CO2 commerciale. Credito:City University of Hong Kong
Le mascherine sono diventate uno strumento importante nella lotta contro la pandemia di COVID-19. Però, l'uso o lo smaltimento improprio delle maschere può portare a una "trasmissione secondaria". Un team di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha prodotto con successo maschere in grafene con un'efficienza antibatterica dell'80%, che può essere potenziato fino quasi al 100% con un'esposizione alla luce solare per circa 10 minuti. I test iniziali hanno anche mostrato risultati molto promettenti nella disattivazione di due specie di coronavirus. Le maschere in grafene sono facilmente prodotte a basso costo, e può aiutare a risolvere i problemi di approvvigionamento delle materie prime e di smaltimento delle mascherine non biodegradabili.
La ricerca è condotta dal Dr. Ye Ruquan, Professore assistente del Dipartimento di Chimica di CityU, in collaborazione con altri ricercatori. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica ACS Nano , intitolato " Uccisione batterica rapida con autosegnalazione e fototermia migliorata su una maschera di grafene indotta da laser ".
Le mascherine chirurgiche comunemente utilizzate non sono antibatteriche. Ciò può comportare il rischio di trasmissione secondaria di infezione batterica quando le persone toccano le superfici contaminate delle maschere usate o le gettano in modo improprio. Inoltre, i tessuti melt-blown utilizzati come filtro batterico hanno un impatto sull'ambiente in quanto sono difficili da decomporre. Perciò, gli scienziati hanno cercato materiali alternativi per realizzare maschere.
Conversione di altri materiali in grafene mediante laser
Il Dr. Ye ha studiato l'uso del grafene indotto dal laser nello sviluppo di energia sostenibile. Quando studiava Ph.D. laurea alla Rice University diversi anni fa, il gruppo di ricerca a cui ha partecipato e guidato dal suo supervisore ha scoperto un modo semplice per produrre grafene. Hanno scoperto che la scrittura diretta su film di poliimmide contenenti carbonio (un materiale plastico polimerico con elevata stabilità termica) utilizzando un CO commerciale 2 il sistema laser a infrarossi può generare grafene poroso 3-D. Il laser modifica la struttura della materia prima e quindi genera grafene. Ecco perché è chiamato grafene indotto dal laser.
Il grafene è noto per le sue proprietà antibatteriche, quindi già nel settembre scorso, prima dello scoppio del COVID-19, produrre maschere con prestazioni superiori al grafene indotto dal laser è già venuto in mente al Dr. Ye. Ha quindi avviato lo studio in collaborazione con i ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Università di Nankai, e altre organizzazioni.
Il team del dottor Ye usa la CO 2 sistema laser a infrarossi per generare grafene. I risultati degli esperimenti mostrano che il grafene che hanno prodotto mostra un'efficienza antibatterica molto migliore rispetto alla fibra di carbone attivo e ai tessuti soffiati a fusione. Credito:City University of Hong Kong
Eccellente efficienza antibatterica
Il team di ricerca ha testato il loro grafene indotto dal laser con E. coli, e ha raggiunto un'elevata efficienza antibatterica di circa l'82%. In confronto, l'efficacia antibatterica della fibra di carbone attivo e dei tessuti melt-blown, entrambi i materiali comunemente usati nelle maschere, erano rispettivamente solo il 2% e il 9%. I risultati dell'esperimento hanno anche mostrato che oltre il 90% degli E. coli depositati su di essi è rimasto vivo anche dopo 8 ore, mentre la maggior parte degli E. coli depositati sulla superficie del grafene erano morti dopo 8 ore. Inoltre, il grafene indotto dal laser ha mostrato una capacità antibatterica superiore per i batteri aerosolizzati.
Il dottor Ye ha affermato che sono necessarie ulteriori ricerche sull'esatto meccanismo della proprietà di uccidere i batteri del grafene. Ma credeva che potesse essere correlato al danno delle membrane delle cellule batteriche dal bordo tagliente del grafene. E i batteri possono essere uccisi dalla disidratazione indotta dalla proprietà idrofobica (idrorepellente) del grafene.
Precedenti studi suggerivano che il COVID-19 avrebbe perso la sua infettività alle alte temperature. Quindi il team ha effettuato esperimenti per verificare se l'effetto fototermico del grafene (che produce calore dopo aver assorbito la luce) può aumentare l'effetto antibatterico. I risultati hanno mostrato che l'efficienza antibatterica del materiale di grafene potrebbe essere migliorata fino al 99,998% entro 10 minuti sotto la luce del sole, mentre i tessuti in fibra di carbone attivo e soffiati a fusione hanno mostrato un'efficienza solo del 67% e dell'85% rispettivamente.
Il team sta attualmente lavorando con laboratori nella Cina continentale per testare il materiale di grafene con due specie di coronavirus umani. I test iniziali hanno mostrato che ha inattivato oltre il 90% del virus in cinque minuti e quasi il 100% in 10 minuti sotto la luce del sole. Il team prevede di condurre test con il virus COVID-19 in un secondo momento.
Il loro prossimo passo è migliorare ulteriormente l'efficienza dell'antivirus e sviluppare una strategia riutilizzabile per la maschera. Sperano di rilasciarlo sul mercato poco dopo aver progettato una struttura ottimale per la maschera e aver ottenuto le certificazioni.
Il team fabbrica un generatore igroelettrico per misurare la variazione della tensione indotta dall'umidità quando l'utente respira attraverso la maschera di grafene. Credito: ACS Nano (2020). DOI:10.1021/acsnano.0c05330
Il Dr. Ye ha descritto la produzione di grafene indotto dal laser come una "tecnica verde". Tutti i materiali contenenti carbonio, come cellulosa o carta, può essere convertito in grafene utilizzando questa tecnica. E la conversione può essere effettuata in condizioni ambientali senza utilizzare prodotti chimici diversi dalle materie prime, né causare inquinamento. E il consumo di energia è basso.
"Le maschere di grafene indotte dal laser sono riutilizzabili. Se vengono utilizzati biomateriali per la produzione di grafene, può aiutare a risolvere il problema dell'approvvigionamento della materia prima per le mascherine. E può ridurre l'impatto ambientale causato dalle maschere usa e getta non biodegradabili, " Ha aggiunto.
Il Dr. Ye ha sottolineato che produrre grafene indotto dal laser è facile. In appena un minuto e mezzo, un'area di 100 cm² può essere convertita in grafene come strato esterno o interno della maschera. A seconda delle materie prime per la produzione del grafene, il prezzo della maschera in grafene indotta dal laser dovrebbe essere compreso tra quello della maschera chirurgica e della maschera N95. Ha aggiunto che regolando la potenza del laser, la dimensione dei pori del materiale di grafene può essere modificata in modo che la traspirabilità sia simile alle maschere chirurgiche.
Un nuovo modo per verificare le condizioni della mascherina
Per facilitare agli utenti di verificare se le maschere al grafene sono ancora in buone condizioni dopo essere state utilizzate per un periodo di tempo, il team ha fabbricato un generatore igroelettrico. È alimentato dall'elettricità generata dall'umidità nel respiro umano. Misurando la variazione della tensione indotta dall'umidità quando l'utente respira attraverso una maschera di grafene, fornisce un indicatore dello stato della maschera. I risultati dell'esperimento hanno mostrato che più batteri e particelle atmosferiche si accumulavano sulla superficie della maschera, più bassa è risultata la tensione. "Lo standard di frequenza con cui dovrebbe essere cambiata una maschera è meglio che sia deciso dai professionisti. Eppure, questo metodo che abbiamo usato può servire come riferimento, " suggerì il dottor Ye.
