Forskere udvikler anti-bakterielle ansigtsmasker af grafen

Ansigtsmasker er blevet et vigtigt redskab i kampen mod COVID-19-pandemien. Imidlertid, forkert brug eller bortskaffelse af masker kan føre til "sekundær transmission". Et forskerhold fra City University of Hong Kong (CityU) har med succes produceret grafenmasker med en antibakteriel effektivitet på 80 %, som kan forbedres til næsten 100 % ved udsættelse for sollys i omkring 10 minutter. Indledende test viste også meget lovende resultater i deaktivering af to arter af coronavirus. Grafenmaskerne fremstilles nemt til lave omkostninger, og kan hjælpe med at løse problemerne med at skaffe råvarer og bortskaffe ikke-biologisk nedbrydelige masker.

Forskningen er udført af Dr. Ye Ruquan, Adjunkt fra CityU's Institut for Kemi, i samarbejde med andre forskere. Resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano , med titlen " Selvrapporterende og fototermisk forbedret hurtig bakteriedræbning på en laserinduceret grafenmaske ".

Almindeligt anvendte kirurgiske masker er ikke anti-bakterielle. Dette kan føre til risiko for sekundær overførsel af bakteriel infektion, når folk rører ved de forurenede overflader på de brugte masker eller kasserer dem forkert. I øvrigt, de smelteblæste stoffer, der bruges som bakteriefilter, påvirker miljøet, da de er svære at nedbryde. Derfor, forskere har ledt efter alternative materialer til at lave masker.

Konvertering af andre materialer til grafen med laser

Dr. Ye har studeret brugen af ​​laser-induceret grafen til udvikling af bæredygtig energi. Da han læste ph.d. grad ved Rice University for flere år siden, forskerholdet, han deltog i og ledet af sin vejleder, opdagede en nem måde at fremstille grafen på. De fandt, at direkte skrivning på kulstofholdige polyimidfilm (et polymert plastmateriale med høj termisk stabilitet) ved hjælp af en kommerciel CO ₂ infrarødt lasersystem kan generere 3-D porøs grafen. Laseren ændrer strukturen af ​​råmaterialet og genererer dermed grafen. Det er derfor, det hedder laser-induceret grafen.

Grafen er kendt for sine antibakterielle egenskaber, så tidligt i september sidste år, før udbruddet af COVID-19, Dr. Ye's sind faldt allerede i øjnene at producere masker med laser-induceret grafen, der klarer sig bedre. Derefter kickstartede han undersøgelsen i samarbejde med forskere fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Nankai Universitet, og andre organisationer.

Fremragende antibakteriel effektivitet

Forskerholdet testede deres laser-inducerede grafen med E. coli, og det opnåede høj antibakteriel effektivitet på omkring 82%. Sammenlignet med, den antibakterielle effektivitet af aktiveret kulfiber og smelteblæste stoffer, både almindeligt anvendte materialer i masker, var kun henholdsvis 2 % og 9 %. Eksperimentresultater viste også, at over 90 % af E. coli aflejret på dem forblev i live selv efter 8 timer, mens det meste af E. coli aflejret på grafenoverfladen var døde efter 8 timer. I øvrigt, den laser-inducerede grafen viste en overlegen anti-bakteriel kapacitet for aerosoliserede bakterier.

Dr. Ye sagde, at der er behov for mere forskning i den nøjagtige mekanisme bag grafens bakteriedræbende egenskaber. Men han mente, at det kunne være relateret til beskadigelsen af ​​bakterielle cellemembraner af grafens skarpe kant. Og bakterierne kan blive dræbt af dehydrering induceret af den hydrofobe (vandafvisende) egenskab af grafen.

Tidligere undersøgelser tydede på, at COVID-19 ville miste sin smitteevne ved høje temperaturer. Så holdet udførte eksperimenter for at teste, om grafenens fototermiske effekt (producerer varme efter at have absorberet lys) kan forstærke den antibakterielle effekt. Resultaterne viste, at den antibakterielle effektivitet af grafenmaterialet kunne forbedres til 99,998% inden for 10 minutter under sollys, mens aktiveret kulfiber og smelteblæste stoffer kun viste en effektivitet på henholdsvis 67 % og 85 %.

Holdet arbejder i øjeblikket med laboratorier på det kinesiske fastland for at teste grafenmaterialet med to arter af menneskelige coronavirus. Indledende test viste, at det inaktiverede over 90 % af virussen på fem minutter og næsten 100 % på 10 minutter under sollys. Holdet planlægger at udføre tests med COVID-19-virussen senere.

Deres næste skridt er at forbedre antiviruseffektiviteten yderligere og udvikle en genanvendelig strategi for masken. De håber at frigive den til markedet kort efter at have designet en optimal struktur til masken og opnået certificeringerne.

Dr. Ye beskrev produktionen af ​​laser-induceret grafen som en "grøn teknik". Alle kulstofholdige materialer, såsom cellulose eller papir, kan omdannes til grafen ved hjælp af denne teknik. Og konverteringen kan udføres under omgivende forhold uden brug af andre kemikalier end råmaterialerne, heller ikke forårsage forurening. Og energiforbruget er lavt.

"Laser-inducerede grafenmasker kan genanvendes. Hvis der bruges biomaterialer til fremstilling af grafen, det kan hjælpe med at løse problemet med at skaffe råmaterialer til masker. Og det kan mindske miljøpåvirkningen forårsaget af de ikke-biologisk nedbrydelige engangsmasker, " han tilføjede.

Dr. Ye påpegede, at det er nemt at fremstille laser-induceret grafen. Inden for kun halvandet minut, et areal på 100 cm² kan omdannes til grafen som det ydre eller indre lag af masken. Afhængigt af råmaterialerne til fremstilling af grafen, prisen på den laserinducerede grafenmaske forventes at ligge mellem prisen for kirurgisk maske og N95 maske. Han tilføjede, at ved at justere lasereffekten, størrelsen af ​​porerne i grafenmaterialet kan modificeres, så åndbarheden ville svare til kirurgiske masker.

En ny måde at kontrollere maskens tilstand på

For at gøre det lettere for brugerne at kontrollere, om grafenmasker stadig er i god stand efter at have været brugt i en periode, holdet fremstillede en hygroelektrisk generator. Den drives af elektricitet genereret af fugten i menneskets ånde. Ved at måle ændringen i den fugtinducerede spænding, når brugeren trækker vejret gennem en grafenmaske, det giver en indikator for maskens tilstand. Eksperimentresultater viste, at jo mere bakterierne og atmosfæriske partikler akkumulerede på overfladen af ​​masken, jo lavere spænding blev resultatet. "Standarden for, hvor ofte en maske skal udskiftes, er bedre at bestemme af de professionelle. Alligevel, denne metode, vi brugte, kan tjene som reference, " foreslog Dr. Ye.