Gezichtsmaskers zijn een belangrijk hulpmiddel geworden in de strijd tegen de COVID-19-pandemie. Echter, oneigenlijk gebruik of verwijdering van maskers kan leiden tot "secundaire overdracht". Een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) heeft met succes grafeenmaskers geproduceerd met een antibacteriële efficiëntie van 80%, die kan worden verbeterd tot bijna 100% bij blootstelling aan zonlicht gedurende ongeveer 10 minuten. De eerste tests lieten ook veelbelovende resultaten zien bij de deactivering van twee soorten coronavirussen. De grafeenmaskers zijn gemakkelijk te produceren tegen lage kosten, en kan helpen bij het oplossen van de problemen bij het inkopen van grondstoffen en het weggooien van niet-biologisch afbreekbare maskers.

Het onderzoek is uitgevoerd door Dr. Ye Ruquan, Universitair docent van CityU's Department of Chemistry, in samenwerking met andere onderzoekers. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano , getiteld " Zelfrapportage en fotothermisch verbeterde snelle bacteriedoding op een laser-geïnduceerd grafeenmasker ".

Veelgebruikte chirurgische maskers zijn niet antibacterieel. Dit kan leiden tot het risico van secundaire overdracht van bacteriële infecties wanneer mensen de verontreinigde oppervlakken van de gebruikte maskers aanraken of op onjuiste wijze weggooien. Bovendien, de smeltgeblazen stoffen die als bacteriefilter worden gebruikt, hebben een impact op het milieu omdat ze moeilijk afbreekbaar zijn. Daarom, wetenschappers hebben gezocht naar alternatieve materialen om maskers te maken.

Andere materialen omzetten in grafeen met laser

Dr. Ye heeft het gebruik van door laser geïnduceerd grafeen bestudeerd bij het ontwikkelen van duurzame energie. Toen hij studeerde Ph.D. graad aan Rice University enkele jaren geleden, het onderzoeksteam waaraan hij deelnam en geleid werd door zijn supervisor, ontdekte een gemakkelijke manier om grafeen te produceren. Ze ontdekten dat direct schrijven op koolstofbevattende polyimidefilms (een polymeer plastic materiaal met hoge thermische stabiliteit) met behulp van een commercieel CO ₂ infrarood lasersysteem kan 3D poreus grafeen genereren. De laser verandert de structuur van de grondstof en genereert zo grafeen. Daarom wordt het laser-geïnduceerd grafeen genoemd.

Grafeen staat bekend om zijn antibacteriële eigenschappen, dus al in september vorig jaar, vóór de uitbraak van COVID-19, het produceren van beter presterende maskers met laser-geïnduceerd grafeen kwam al in de geest van Dr. Ye. Vervolgens startte hij het onderzoek in samenwerking met onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Nankai-universiteit, en andere organisaties.

Uitstekende antibacteriële efficiëntie

Het onderzoeksteam testte hun laser-geïnduceerde grafeen met E. coli, en het bereikte een hoge antibacteriële efficiëntie van ongeveer 82%. In vergelijking, de antibacteriële efficiëntie van actieve koolstofvezel en smeltgeblazen stoffen, beide veelgebruikte materialen in maskers, waren respectievelijk slechts 2% en 9%. Experimentresultaten toonden ook aan dat meer dan 90% van de E. coli die erop was afgezet zelfs na 8 uur in leven bleef, terwijl de meeste E. coli die op het grafeenoppervlak waren afgezet na 8 uur dood waren. Bovendien, het laser-geïnduceerde grafeen vertoonde een superieure antibacteriële capaciteit voor vernevelde bacteriën.

Dr. Ye zei dat er meer onderzoek nodig is naar het exacte mechanisme van de bacteriedodende eigenschap van grafeen. Maar hij geloofde dat het misschien verband hield met de schade aan bacteriële celmembranen door de scherpe rand van grafeen. En de bacteriën kunnen worden gedood door uitdroging veroorzaakt door de hydrofobe (waterafstotende) eigenschap van grafeen.

Eerdere studies suggereerden dat COVID-19 zijn besmettelijkheid zou verliezen bij hoge temperaturen. Daarom voerde het team experimenten uit om te testen of het fotothermische effect van grafeen (dat warmte produceert na het absorberen van licht) het antibacteriële effect kan versterken. De resultaten toonden aan dat de antibacteriële efficiëntie van het grafeenmateriaal binnen 10 minuten onder zonlicht kon worden verbeterd tot 99,998%. terwijl actieve koolstofvezel en smeltgeblazen weefsels slechts een efficiëntie van respectievelijk 67% en 85% lieten zien.

Het team werkt momenteel samen met laboratoria op het vasteland van China om het grafeenmateriaal te testen met twee soorten menselijke coronavirussen. Uit de eerste tests bleek dat het meer dan 90% van het virus in vijf minuten en bijna 100% in 10 minuten onder zonlicht heeft geïnactiveerd. Het team is van plan om later testen uit te voeren met het COVID-19-virus.

Hun volgende stap is om de antivirusefficiëntie verder te verbeteren en een herbruikbare strategie voor het masker te ontwikkelen. Ze hopen het kort na het ontwerpen van een optimale structuur voor het masker en het behalen van de certificeringen op de markt te brengen.

Dr. Ye beschreef de productie van door laser geïnduceerd grafeen als een "groene techniek". Alle koolstofhoudende materialen, zoals cellulose of papier, kan met deze techniek worden omgezet in grafeen. En de conversie kan worden uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden zonder gebruik te maken van andere chemicaliën dan de grondstoffen, noch vervuiling veroorzaken. En het energieverbruik is laag.

"Lasergeïnduceerde grafeenmaskers zijn herbruikbaar. Als biomaterialen worden gebruikt voor de productie van grafeen, het kan helpen om het probleem van de inkoop van grondstoffen voor maskers op te lossen. En het kan de milieu-impact verminderen die wordt veroorzaakt door de niet-biologisch afbreekbare wegwerpmaskers, " hij voegde toe.

Dr. Ye wees erop dat het produceren van door laser geïnduceerd grafeen eenvoudig is. Binnen anderhalve minuut een oppervlakte van 100 cm² kan worden omgezet in grafeen als de buitenste of binnenste laag van het masker. Afhankelijk van de grondstoffen voor de productie van het grafeen, de prijs van het lasergeïnduceerde grafeenmasker zal naar verwachting tussen die van een chirurgisch masker en een N95-masker liggen. Hij voegde eraan toe dat door het laservermogen aan te passen, de grootte van de poriën van het grafeenmateriaal kan worden aangepast zodat het ademend vermogen vergelijkbaar is met dat van chirurgische maskers.

Een nieuwe manier om de staat van het masker te controleren

Om gebruikers te helpen controleren of grafeenmaskers na een tijdje gebruik nog in goede staat zijn, het team fabriceerde een hygro-elektrische generator. Het wordt aangedreven door elektriciteit die wordt opgewekt uit het vocht in de menselijke adem. Door de verandering in de door vocht geïnduceerde spanning te meten wanneer de gebruiker door een grafeenmasker ademt, het geeft een indicatie van de toestand van het masker. Experimentresultaten toonden aan dat hoe meer bacteriën en atmosferische deeltjes zich ophoopten op het oppervlak van het masker, hoe lager de spanning resulteerde. "De norm voor hoe vaak een masker moet worden vervangen, kan beter worden bepaald door de professionals. Maar toch, deze methode die we hebben gebruikt, kan als referentie dienen, " stelde Dr. Ye voor.