Cuando COVID-19 se declaró pandemia en marzo de 2020, Parans Paranthaman, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, de repente se encontró trabajando desde casa como millones de personas.

Un miembro corporativo en la División de Ciencias Químicas del laboratorio, Rápidamente se dio cuenta de que su experiencia en química de estado sólido y materiales podrían beneficiar a la comunidad de atención médica que necesitaba equipos capaces de filtrar las partículas de tamaño nanométrico de COVID-19.

"Merlín Theodore, quien dirige los esfuerzos de investigación en la Instalación de Tecnología de Fibra de Carbono, me llamó y dijo, "Necesito comprender qué material funcionará mejor en nuestra línea de producción para fabricar medios filtrantes de máscara N95, y necesito saber esto ayer '", Recordó Paranthaman." Y preguntó si podíamos usar neutrones y nanociencia para probarlo ".

Theodore es parte de un equipo dirigido por el miembro corporativo de ORNL Lonnie Love, quien estaba coordinando una respuesta de investigación de fabricación de COVID-19 como parte del Laboratorio Nacional Virtual de Biotecnología del Departamento de Energía. El equipo también consultó a Peter Tsai, un profesor jubilado de la Universidad de Tennessee que inventó el proceso de carga electrostática para crear medios filtrantes N95, para aprender cómo incorporar la capacidad en el CFTF.

"Nunca habíamos intentado algo como esto antes en este tipo de período de tiempo, ", Dijo Paranthaman." Estábamos aumentando la investigación que debería haber tomado un año o más en un período de unas pocas semanas con el uso de la industria para el verano ".

"Pero no hay ningún desafío que no haya cumplido todavía. El propósito de mi investigación es encontrar soluciones".

Foco de polipropileno

Los resultados de la investigación de Paranthaman sobre los medios filtrantes N95, publicado recientemente en Materiales poliméricos aplicados ACS , esbozar la ciencia detrás de lo que llevó a la producción exitosa de material de ORNL en la línea de producción de precursores de CFTF. Posteriormente, la tecnología se transfirió en virtud de acuerdos de usuario a dos socios de la industria, Cummins y DemeTECH, para uso comercial, lo que lleva al suministro de millones de máscaras en los EE. UU., además de agregar miles de puestos de trabajo.

Como uno de los primeros estudios sobre polipropileno, también conocido como PP, con respecto a COVID-19, El artículo de Paranthaman sirve como guía para comprender cómo responde un virus nuevo a los materiales a base de polímeros. El PP ha sido durante mucho tiempo el material estándar de la industria para la filtración, pero comprender qué compuestos comerciales o precursores del material son los más adecuados para la producción en masa generalmente requiere una prueba y un error que requiere mucho tiempo.

"Tuvimos una situación única con COVID-19. Primero, es un virus nuevo del que no se sabe mucho. Segundo, es pequeño, que van desde 60 a 140 nanómetros, lo que significa que las partículas son capaces de penetrar en las aberturas más pequeñas. Y tercero, no tuvimos tiempo para errores, "Paranthaman explicó." Teníamos que tener un material que pudiera filtrar más del 95 por ciento de estas partículas submicrónicas. Tenía que ser virtualmente impermeable, pero al mismo tiempo, tiene que ser transpirable ".

La máscara N95 está hecha de PP de dos capas, un material no tejido cargado electrostáticamente de forma permanente con millones de microfibras superpuestas una encima de la otra para formar una hoja. El equipo de Theodore en el CFTF utilizó que convierte las microfibras en una tela mediante la extrusión de una resina polimérica a través de un troquel a alta velocidad del aire, producir tres muestras de PP de calidad comercial para que Paranthaman las evalúe.

"Usamos varios métodos de caracterización en ORNL para comprender mejor la eficiencia del filtro de PP y recurrimos a las fortalezas de las instalaciones de los usuarios como el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos y la Fuente de Neutrones de Espalación, "Dijo Paranthaman.

Los métodos de caracterización incluyeron calorimetría diferencial de barrido para medir la cantidad de energía transferida entre las fibras fundidas por soplado; Difracción de rayos X para comprender la orientación o textura de los cristales de las fibras; y dispersión de neutrones para estudiar la vibración molecular. Se utilizó microscopía electrónica de barrido para comprender la disposición de las fibras fundidas por soplado y su microestructura y para caracterizar sus diámetros.

"Es importante comprender cuántas partículas detiene el filtro, "Dijo Paranthaman.

El equipo utilizó partículas de aerosol de cloruro de sodio que imitaban el tamaño de COVID-19 para penetrar el filtro. luego midió las partículas cuando encontraron el PP. Se apilaron dos capas de la fibra fundida por soplado para realizar la prueba a una velocidad de flujo de aire de 50 litros por minuto.

Resultados cristalinos

La investigación de Paranthaman reveló que, si bien los materiales de la materia prima eran casi idénticos en composición, actuaban de manera muy diferente cuando se cargaban. La diferencia más notable fue en la cristalización, o cómo el material solidifica átomos y moléculas en una forma estructurada.

"Comparamos el material de PP cargado y no cargado con un aditivo y sin, "Paranthaman explicó." La cristalización tuvo un impacto claro en la capacidad del material para filtrar en cada ejemplo; un mayor número de cristalitos forman una carga eléctrica más fuerte, conduciendo a una filtración más eficaz ".

Los resultados de la investigación determinaron además que el material que tiene temperaturas de inicio de cristalización más altas, cristalización más lenta y una mayor cantidad de cristalitos microscópicos es más eficaz en la filtración. El estudio de Paranthaman de las muestras de PP mostró qué material era probable que cumpliera con el objetivo de filtración en el peso de la tela, eficiencia, resistencia, tamaño del diámetro de la fibra y porcentaje de carga electrostática.

A finales de abril, el CFTF estaba produciendo material que filtraba el 99% del virus. Por mayo, la tecnología se transfirió a la industria.

El equipo de investigación ganó el Premio del Director de ORNL por el apoyo a la misión por el rápido desarrollo de los medios filtrantes N95 y la transferencia de tecnología. Pero, Paranthaman dijo:el trabajo científico sobre los medios filtrantes N95 apenas está comenzando.

"Este documento proporcionó una visión tridimensional de los materiales para que pudiéramos ver todos los cambios en la fibra cargada frente a la no cargada, ", Dijo Paranthaman." Sabíamos que la carga reduce el diámetro de la fibra, por ejemplo, pero también cambia la porosidad, y eso es fundamental para el rendimiento del material. Nuestro documento de seguimiento describirá claramente las diferencias entre cargados y no cargados y brindará una visión aún mayor de los medios filtrantes N95 ".

El título de la Materiales poliméricos aplicados ACS artículo es "Polímeros, Aditivos y efectos de procesamiento en el rendimiento del filtro N95 ".