I ricercatori di KAIST hanno sviluppato una nuova tecnica di produzione di nanofibre chiamata "multispinning centrifugo" che aprirà le porte alla produzione di massa sicura ed economica di nanofibre polimeriche ad alte prestazioni. Questa nuova tecnica, che ha mostrato un tasso di produzione di nanofibre all'ora fino a 300 volte superiore a quello del metodo di elettrofilatura convenzionale, ha molte potenziali applicazioni tra cui lo sviluppo di filtri per maschere facciali per la protezione dal coronavirus.

Le nanofibre sono ottimi filtri per maschere perché le loro interazioni meccaniche con le particelle di aerosol conferiscono loro una maggiore capacità di catturare oltre il 90% di particelle nocive come polveri sottili e goccioline contenenti virus.

L'impatto della pandemia di COVID-19 ha ulteriormente accelerato la crescente domanda negli ultimi anni per un miglior tipo di maschera facciale. Anche un filtro per maschera a base di nanofibre polimeriche in grado di bloccare più efficacemente le particelle nocive è stato sempre più richiesto man mano che la pandemia continua.

L'"elettrofilatura" è stato un processo comune utilizzato per preparare nanofibre polimeriche fini e uniformi, ma in termini di sicurezza, efficacia dei costi, e produzione di massa, ha diversi inconvenienti. Il metodo di elettrofilatura richiede un campo elettrico ad alta tensione e un bersaglio elettricamente conduttivo, e questo ostacola la produzione di massa sicura ed economica di nanofibre polimeriche.

In risposta a questa mancanza, La "filatura centrifuga" che utilizza la forza centrifuga invece dell'alta tensione per produrre nanofibre polimeriche è stata suggerita come un'alternativa più sicura ed economica all'elettrofilatura. La facile scalabilità è un altro vantaggio, poiché questa tecnologia richiede solo una filiera rotante e un collettore.

Però, poiché l'attuale tecnologia di filatura basata sulla forza centrifuga impiega una sola filiera rotante, la produttività è limitata e non molto superiore a quella di alcune tecnologie avanzate di elettrofilatura come l'"elettrofilatura multi-ugello" e l'"elettrofilatura senza ugello".

Ispirato da queste limitazioni, un gruppo di ricerca guidato dal professor Do Hyun Kim del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare del KAIST ha sviluppato una filiera centrifuga multifilatura con producibilità in serie, sezionando una filiera rotante in tre sottodischi. Questo studio è stato pubblicato come articolo di copertina di Lettere macro ACS , Volume 10, Numero 3 di marzo 2021.

Utilizzando questa nuova filiera centrifuga multifilatura con tre sottodischi, l'autore principale dell'articolo Ph.D. il candidato Byeong Eun Kwak e i suoi colleghi ricercatori Hyo Jeong Yoo e Eungjun Lee hanno dimostrato la produzione su scala di grammi di varie nanofibre polimeriche con una velocità di produzione massima fino a 25 grammi all'ora, che è circa 300 volte superiore a quello del sistema di elettrofilatura convenzionale. Il tasso di produzione fino a 25 grammi di nanofibre polimeriche all'ora corrisponde al tasso di produzione di circa 30 filtri per maschere facciali al giorno in un sistema di produzione su scala di laboratorio.

Integrando le nanofibre polimeriche prodotte in serie nella forma di un filtro maschera, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare maschere facciali con prestazioni di filtrazione comparabili con le maschere facciali KF80 e KF94 attualmente disponibili nel mercato coreano. Le maschere KF80 e KF94 sono state approvate dal Ministero della sicurezza alimentare e dei farmaci della Corea per filtrare rispettivamente almeno l'80% e il 94% delle particelle nocive.

"Quando il nostro sistema passa dalla scala di laboratorio a quella industriale, sarà resa possibile la produzione su larga scala di nanofibre polimeriche centrifughe multifilate, e anche il costo dei filtri per maschere facciali a base di nanofibre polimeriche sarà drasticamente ridotto, "Kwak ha spiegato.