Na het bestuderen van de effectiviteit van verschillende lagen maskers om te voorkomen dat ademhalingsdruppels ontsnappen uit gezichtsmaskers, heeft een team van internationale onderzoekers hun aandacht nu gericht op het modelleren van wat er met druppeltjes gebeurt wanneer ze in contact komen met natte maskers. Hun resultaten tonen aan dat vochtige maskers nog steeds effectief zijn om te voorkomen dat deze druppeltjes uit het masker ontsnappen en worden verneveld tot kleinere, gemakkelijker te verspreiden aerosoldeeltjes.

Deze studie onderzocht alleen de effecten van natte maskers op druppelpenetratie; de onderzoekers merken op dat mensen de richtlijnen voor de volksgezondheid moeten volgen om hun masker te veranderen als het nat is, aangezien natte maskers moeilijker zijn om door te ademen, minder efficiënt in het filteren van ingeademde lucht en meer rond de rand van het masker kunnen ventileren dan droge maskers.

"Hoewel de werkzaamheid van verschillende droge gezichtsmaskers is onderzocht, ontbreekt een uitgebreid onderzoek naar natte maskers. Toch dragen gebruikers gedurende lange tijd maskers en gedurende deze tijd wordt de maskermatrix nat door ademhalingsdruppels die vrijkomen bij het ademen, hoesten, niezen etc", schreef het team van ingenieurs van de University of California San Diego, Indian Institute of Science en University of Toronto. De onderzoekers presenteerden hun bevindingen op 21 november op de 74e jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society van de APS Division of Fluid Dynamics. Hetzelfde artikel zal worden gepubliceerd in Physical Review Fluids op 7 december.

Ze ontdekten dat, misschien contra-intuïtief, natte maskers het voor deze ademhalingsdruppels juist moeilijker maken om het masker binnen te dringen en te ontsnappen, waarbij ze versplinteren in kleinere, vernevelde deeltjes; onderzoek heeft aangetoond dat deze kleinere deeltjes meer kans hebben om het SARS-CoV-2-virus te verspreiden door langer in de lucht te blijven hangen dan de grotere druppeltjes die op de grond vallen. Bij het modelleren van de fysica achter waarom dit gebeurt, ontdekten ze dat er twee zeer verschillende mechanismen aanwezig zijn voor hydrofobe maskers zoals gewone chirurgische maskers, versus hydrofiele maskers zoals de stoffen varianten.

Om precies te bestuderen hoe nattigheid de druppelpenetratie beïnvloedt, genereerden de onderzoekers nep-ademhalingsdruppels met behulp van een spuitpomp, die vloeistof langzaam door een naald en op een van de drie soorten maskermaterialen duwde:een chirurgisch masker en twee stoffen maskers van verschillende diktes. De onderzoekers registreerden wat er gebeurde toen de druppeltjes het masker raakten met behulp van een hogesnelheidscamera die de impact vastlegde met 4.000 frames per seconde, en bleven het bestuderen terwijl het masker vochtig werd.

Ze ontdekten dat druppels van hoesten of niezen met een hogere snelheid moeten reizen om door een masker te worden geduwd als het nat is, in vergelijking met wanneer het droog is. Op hydrofobe maskers met een laag absorptievermogen, zoals chirurgische maskers, vormen de ademhalingsdruppeltjes kleine parels op het oppervlak van het masker, waardoor de druppeltjes die erdoor geraakt worden extra weerstand bieden tegen mogelijke penetratie.

De hydrofiele stoffen maskers vertonen deze kralen niet; in plaats daarvan absorbeert de doek de vloeistof, waarbij het bevochtigde gebied zich uitbreidt naarmate het masker meer volume absorbeert. De poreuze matrix van deze stoffen maskers wordt gevuld met vloeistof en daarom moeten de druppeltjes een groter vloeistofvolume verplaatsen om het masker te penetreren. Door deze extra weerstand is de penetratie zwakker.

"Samenvattend hebben we aangetoond dat natte maskers ballistische ademhalingsdruppels beter kunnen beperken dan droge maskers", zegt Sombuddha Bagchi, eerste auteur van het artikel en een Ph.D. student aan de Jacobs School of Engineering aan UC San Diego.

"We moeten echter ook aandacht besteden aan zijdelingse lekkage en ademend vermogen van natte maskers, die niet zijn onderzocht in onze studie", voegde Abhishek Saha, een co-auteur en professor in Mechanical and Aerospace Engineering aan UC San Diego, toe.

Het team van ingenieurs - waaronder ook professoren Swetaprovo Chaudhuri van de Universiteit van Toronto en Saptarshi Basu van het Indian Institute of Science - waren goed thuis in dit soort experimenten en analyses, hoewel ze gewend waren de aerodynamica en fysica van druppeltjes te bestuderen voor toepassingen zoals voortstuwingssystemen, verbranding of thermische sprays. Ze richtten hun aandacht vorig jaar op de fysica van ademhalingsdruppels, toen de COVID-19-pandemie begon, en bestuderen sindsdien het transport van deze ademhalingsdruppels en hun rol bij de overdracht van ziekten van het type COVID-19.

In maart 2021 publiceerde hetzelfde team een ​​paper in Science Advances detaillering van de effectiviteit van droge maskers van één, twee en drie lagen om te voorkomen dat ademhalingsdruppels het masker binnendringen. Met behulp van een vergelijkbare methode als dit natte masker-experiment, toonden ze aan dat drielaagse chirurgische maskers het meest effectief zijn om te voorkomen dat grote druppels van hoesten of niezen worden verneveld tot kleinere druppels. Deze grote hoestdruppels kunnen door de enkel- en dubbellaagse maskers dringen en verstuiven tot veel kleinere druppels, wat vooral cruciaal is omdat deze kleinere aerosoldruppels langere tijd in de lucht kunnen blijven hangen.