Studerer gasmaskefiltre, så folk kan trække vejret lettere

I forskning, der kunne føre til bedre gasmaskefiltre, forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har sat røntgenstrålelyset på kompositmaterialer i respiratorer brugt af militæret, politi, og førstehjælpere, og resultaterne har været opmuntrende. Det, de lærer, giver ikke kun beroligende nyheder om effektiviteten af ​​de nuværende filtre til at beskytte mennesker mod dødelige forbindelser som VX og sarin, men de giver også grundlæggende oplysninger, der kan føre til mere avancerede gasmasker samt beskyttelsesudstyr til civile applikationer.

Projektet på Berkeley Lab ledes af Hendrik Bluhm, en senior videnskabsmand med fælles ansættelser i Chemical Sciences Division og Advanced Light Source (ALS). På hans hold er to postdoktorale forskere i Chemical Sciences Division, Lena Trotochaud og Ashley Head. Berkeley Lab-teamet er en del af et større samarbejde, der omfatter forskere ved University of Maryland ved College Park, Johns Hopkins University, og U.S. Naval Research Laboratory.

Forskerne påpegede, at undersøgelse af, hvordan metaloxider interagerer med små organofosfater, kunne være relevant ud over de gasmasker, som militæret og beredskabspersonalet bruger. Det arbejde, de udfører, kunne have anvendelser inden for sanseteknologier. Ud over, mindre potente former for organofosfater anvendes i vid udstrækning som pesticider og herbicider, så resultaterne kan hjælpe landbrugsindustrien og miljøforskere til at forstå, hvad der i sidste ende sker med disse stoffer, efter at de er frigivet til miljøet.

"Dette er et projekt, hvor vi arbejder på at hjælpe med at redde liv, sagde Trotochaud. Det er meget tilfredsstillende.

For hovedet, projektet gav et særligt relevant samtaleemne ved familiesammenkomster.

"Min svigerinde er i luftvåbnet, sagde Head. Jeg fortalte hende, hvad jeg gør, og hun sagde, 'Når jeg er udsendt, Jeg får en gasmaske. Virker det?' Hun fortæller sine kollegaer om, hvad jeg arbejder med. Så meget af det, vi laver inden for grundvidenskab, er langt fra en applikation. Selvom vores arbejde stadig er grundlæggende, Jeg kan nu fortælle min familie, hvad jeg laver, og de vil faktisk forstå."

Virker maskerne?

Nuværende gasmaskefiltre modvirker nuværende trusler, men der er store huller i viden om, hvordan de gør det på molekylært niveau, sagde forskerne. Spørgsmålet dukker op, fordi mange af filtrene er udviklet til at håndtere en lang række konstant skiftende kemiske trusler og til at arbejde under en række forskellige forhold over hele verden. Under Første Verdenskrig, kemiske kampmidler var overvejende klor og sennepsgasser.

Siden da, en ny klasse af kemiske våben kom til stedet. Sarin og giftstof X, eller VX, er nervegifte sådan, fordi de forstyrrer nervesystemets evne til at kommunikere med muskler, inklusive dem, der styrer vejrtrækningen. De nuværende materialer, der anvendes i gasmaskefiltre, giver effektiv beskyttelse mod alle disse forbindelser, på trods af gassernes meget forskellige kemiske egenskaber.

Gasmaskefiltre inkluderer aktivt kul, en familie af absorbenter, der fanger toksiner i millioner af mikroporer. Det er den samme forbindelse, der bruges til at filtrere vand og behandle indtagelse af giftstoffer. Det aktive kul fanger giftstofferne, men i gasmasker er det yderligere forstærket med metaloxider, såsom kobber og molybdæn, for at hjælpe med at nedbryde toksinerne.

"Selvom de første gasmaskefiltre blev udviklet, før disse nye nervestoffer dukkede op, de nuværende filtre er effektive til at fange dem, og de ser også ud til at være gode til at nedbryde dem, men vi har stadig nogle spørgsmål om kemien i denne proces, " sagde Trotochaud. "Vi ved, det virker, men vi ved ikke altid, hvordan det fejler. Vi ved, at filtrene nogle gange holder op med at virke efter et stykke tid, når de udsættes for disse organofosforforbindelser, så kemien i, hvordan materialet deaktiveres efter eksponering for disse midler, er en stor del af det, vi studerer."

Berkeley Lab-forskerne målrettede to metaloxider – molybdænoxid og kobberoxid – som er nøglekomponenter i gasmaskefiltre. For at simulere de små organophosphor-molekyler af sarin og VX, forskerne arbejdede med dimethylmethylphosphonat (DMMP), en etableret proxy for sarin med lignende funktionelle grupper, men signifikant lavere toksicitet.

Målet er bedre at forstå de molekylære interaktioner, der opstår, når forskellige gasser adsorberes af gasmaskens filtermaterialer, og miljøforholdene – luftforurening, diesel udstødning, vand – der kan ændre ydeevne og holdbarhed, så der kan udvikles endnu bedre materialer.

"Meget af vores tidlige arbejde fokuserede på karakterisering, sagde Bluhm, projektets hovedefterforsker. "Der var mange detaljer at løse. Hvad gør kobberoxid helt præcist? Hvad gør molybdænoxid? Hvorfor opfører den ene sig anderledes end den anden? At forstå, hvor forskellene er, kan gøre disse filtreringsmaterialer potentielt meget mere effektive."

Virkningerne af vanddamp var af særlig interesse på grund af, hvordan maskerne bruges, bemærkede Bluhm.

"Det er en filtreringsmaske, der sidder foran vores mund, så der er høj luftfugtighed, når vi trækker vejret ind i det, " sagde han. "Blandt de offentliggjorte resultater fra vores projekt er, at vanddamp ser ud til at være neutral eller endda gavnlig for materialernes ydeevne."

Dette blev rapporteret i en undersøgelse fra 2016, som fandt ud af, at vandeksponering aktiverede den sammensatte overflade på en måde, der lettede bindingen af ​​DMMP-molekylet, sænke den energi, der kræves for at nedbryde molekylet.