La mayoría de los materiales que contienen carbono se pueden convertir en grafeno utilizando un sistema de láser infrarrojo de CO2 comercial. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Las mascarillas se han convertido en una herramienta importante en la lucha contra la pandemia de COVID-19. Sin embargo, El uso o desecho inadecuado de las máscaras puede provocar una "transmisión secundaria". Un equipo de investigación de la City University of Hong Kong (CityU) ha producido con éxito máscaras de grafeno con una eficacia antibacteriana del 80%, que se puede mejorar hasta casi el 100% con la exposición a la luz solar durante unos 10 minutos. Las pruebas iniciales también mostraron resultados muy prometedores en la desactivación de dos especies de coronavirus. Las máscaras de grafeno se producen fácilmente a bajo costo, y puede ayudar a resolver los problemas de abastecimiento de materias primas y eliminación de máscaras no biodegradables.
La investigación es realizada por el Dr. Ye Ruquan, Profesor asistente del Departamento de Química de CityU, en colaboración con otros investigadores. Los hallazgos fueron publicados en la revista científica. ACS Nano , titulado " Destrucción rápida de bacterias autoinformada y mejorada fototérmicamente en una máscara de grafeno inducida por láser ".
Las mascarillas quirúrgicas de uso común no son antibacterianas. Esto puede conducir al riesgo de transmisión secundaria de una infección bacteriana cuando las personas tocan las superficies contaminadas de las mascarillas usadas o las desechan de manera inadecuada. Es más, Las telas fundidas por soplado que se utilizan como filtro bacteriano tienen un impacto en el medio ambiente, ya que son difíciles de descomponer. Por lo tanto, Los científicos han estado buscando materiales alternativos para fabricar máscaras.
Conversión de otros materiales en grafeno por láser
El Dr. Ye ha estado estudiando el uso de grafeno inducido por láser para desarrollar energía sostenible. Cuando estaba estudiando Ph.D. en la Universidad de Rice hace varios años, el equipo de investigación en el que participó y dirigido por su supervisor descubrió una manera fácil de producir grafeno. Descubrieron que la escritura directa en películas de poliimida que contienen carbono (un material plástico polimérico con alta estabilidad térmica) utilizando un CO comercial 2 El sistema de láser infrarrojo puede generar grafeno poroso tridimensional. El láser cambia la estructura de la materia prima y, por tanto, genera grafeno. Por eso se llama grafeno inducido por láser.
El grafeno es conocido por sus propiedades antibacterianas, tan pronto como el pasado mes de septiembre, antes del brote de COVID-19, La producción de máscaras de rendimiento superior con grafeno inducido por láser ya pasó por la mente del Dr. Ye. Luego puso en marcha el estudio en colaboración con investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), Universidad de Nankai, y otras organizaciones.
El equipo del Dr. Ye usa el CO 2 Sistema de láser infrarrojo para generar grafeno. Los resultados de los experimentos muestran que el grafeno que produjeron exhibe una eficiencia antibacteriana mucho mejor que la fibra de carbón activado y las telas fundidas por soplado. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Excelente eficacia antibacteriana
El equipo de investigación probó su grafeno inducido por láser con E. coli, y logró una alta eficiencia antibacteriana de aproximadamente el 82%. En comparación, la eficacia antibacteriana de la fibra de carbono activado y los tejidos fundidos por soplado, Ambos materiales de uso común en máscaras, fueron sólo el 2% y el 9% respectivamente. Los resultados del experimento también mostraron que más del 90% de la E. coli depositada sobre ellos permaneció viva incluso después de 8 horas. mientras que la mayoría de las E. coli depositadas en la superficie del grafeno estaban muertas después de 8 horas. Es más, el grafeno inducido por láser mostró una capacidad antibacteriana superior para las bacterias en aerosol.
El Dr. Ye dijo que se necesita más investigación sobre el mecanismo exacto de la propiedad de eliminación de bacterias del grafeno. Pero creía que podría estar relacionado con el daño de las membranas celulares bacterianas por el borde afilado del grafeno. Y las bacterias pueden morir por deshidratación inducida por la propiedad hidrofóbica (repelente del agua) del grafeno.
Estudios anteriores sugirieron que COVID-19 perdería su infectividad a altas temperaturas. Entonces, el equipo llevó a cabo experimentos para probar si el efecto fototérmico del grafeno (que produce calor después de absorber la luz) puede mejorar el efecto antibacteriano. Los resultados mostraron que la eficiencia antibacteriana del material de grafeno podría mejorarse al 99,998% en 10 minutos bajo la luz solar. mientras que la fibra de carbón activado y los tejidos fundidos por soplado solo mostraron una eficiencia del 67% y 85% respectivamente.
El equipo está trabajando actualmente con laboratorios en China continental para probar el material de grafeno con dos especies de coronavirus humanos. Las pruebas iniciales mostraron que inactivaba más del 90% del virus en cinco minutos y casi el 100% en 10 minutos bajo la luz solar. El equipo planea realizar pruebas con el virus COVID-19 más adelante.
Su siguiente paso es mejorar aún más la eficacia del antivirus y desarrollar una estrategia reutilizable para la máscara. Esperan lanzarlo al mercado poco después de diseñar una estructura óptima para la máscara y obtener las certificaciones.
El equipo fabrica un generador hidroeléctrico para medir el cambio en el voltaje inducido por la humedad cuando el usuario respira a través de la máscara de grafeno. Crédito: ACS Nano (2020). DOI:10.1021 / acsnano.0c05330
El Dr. Ye describió la producción de grafeno inducido por láser como una "técnica verde". Todos los materiales que contienen carbono, como celulosa o papel, se puede convertir en grafeno utilizando esta técnica. Y la conversión se puede llevar a cabo en condiciones ambientales sin utilizar productos químicos distintos de las materias primas, ni causar contaminación. Y el consumo de energía es bajo.
"Las máscaras de grafeno inducidas por láser son reutilizables. Si se utilizan biomateriales para producir grafeno, puede ayudar a resolver el problema de la obtención de materia prima para las máscaras. Y puede disminuir el impacto ambiental causado por las máscaras desechables no biodegradables, "añadió.
El Dr. Ye señaló que producir grafeno inducido por láser es fácil. En solo un minuto y medio, un área de 100 cm² se puede convertir en grafeno como capa exterior o interior de la máscara. Dependiendo de las materias primas para producir el grafeno, Se espera que el precio de la máscara de grafeno inducida por láser esté entre el precio de la máscara quirúrgica y la máscara N95. Añadió que ajustando la potencia del láser, el tamaño de los poros del material de grafeno se puede modificar para que la transpirabilidad sea similar a la de las mascarillas quirúrgicas.
Una nueva forma de comprobar el estado de la mascarilla.
Para facilitar a los usuarios comprobar si las máscaras de grafeno todavía están en buenas condiciones después de un período de uso, el equipo fabricó un generador hidroeléctrico. Está alimentado por electricidad generada a partir de la humedad del aliento humano. Al medir el cambio en el voltaje inducido por la humedad cuando el usuario respira a través de una máscara de grafeno, proporciona un indicador del estado de la máscara. Los resultados del experimento mostraron que cuanto más bacterias y partículas atmosféricas se acumulan en la superficie de la máscara, menor resultó el voltaje. "El estándar de la frecuencia con la que se debe cambiar una máscara es mejor que lo decidan los profesionales. Sin embargo, este método que usamos puede servir como referencia, "sugirió el Dr. Ye.
