Koperschuim als zeer efficiënt, duurzaam filter voor herbruikbare maskers en luchtreinigers

Een schuimfilter op koperbasis dat ooit zou kunnen worden gebruikt in gezichtsmaskers of luchtreinigers zit op de borstelharen van een plant en illustreert zijn lichtgewicht karakter. Krediet: aangepast van Nano Letters 2021, DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c00050

Tijdens de COVID-19-pandemie zijn mensen gewend geraakt aan het dragen van gezichtsmaskers, maar veel bedekkingen zijn kwetsbaar en niet gemakkelijk te desinfecteren. Metaalschuimen zijn duurzaam en hun kleine poriën en grote oppervlakken suggereren dat ze microben effectief kunnen filteren. Nu rapporteren onderzoekers in ACS ‘ Nano Letters hebben koperen nanodraden omgezet in metaalschuimen die kunnen worden gebruikt in gezichtsmaskers en luchtfiltersystemen. De schuimen filteren efficiënt, ontsmetten gemakkelijk voor hergebruik en zijn recyclebaar.

Wanneer een persoon met een luchtweginfectie, zoals SARS-CoV-2, hoest of niest, geven ze kleine druppeltjes en verstoven deeltjes af in de lucht. Deeltjes kleiner dan 0,3 μm kunnen uren in de lucht blijven, dus materialen die deze kleine deeltjes kunnen vasthouden, zijn ideaal voor gebruik in gezichtsmaskers en luchtfilters. Maar sommige bestaande filtermaterialen hebben nadelen. Glasvezel, koolstofnanobuisjes en polypropyleenvezels zijn bijvoorbeeld niet duurzaam genoeg om herhaalde ontsmettingsprocedures te ondergaan, terwijl sommigen verder afhankelijk zijn van elektrostatica zodat ze niet kunnen worden gewassen, wat leidt tot grote hoeveelheden afval. Onlangs hebben onderzoekers metaalschuim ontwikkeld met microscopisch kleine poriën die sterker en beter bestand zijn tegen vervorming, oplosmiddelen en hoge temperaturen en drukken. Daarom wilden Kai Liu en collega’s koperschuimen ontwikkelen en testen om te zien of ze aerosols van submicronformaat effectief konden verwijderen en tegelijkertijd duurzaam genoeg waren om te worden ontsmet en hergebruikt.

De onderzoekers vervaardigden metaalschuim door elektrodepositie koperen nanodraden te oogsten en deze in een vrijstaand 3D-netwerk te gieten, dat met warmte werd gestold om sterke bindingen te vormen. Een tweede koperlaag werd toegevoegd om het materiaal verder te versterken. In tests hield het koperschuim zijn vorm onder druk en bij hoge luchtsnelheden, wat suggereert dat het duurzaam is voor herbruikbare gezichtsmaskers of luchtfilters en kan worden gereinigd met was- of perslucht. Het team ontdekte dat de metaalschuimen een uitstekende filtratie-efficiëntie hadden voor deeltjes binnen het groottebereik van 0,1-1,6 μm, wat relevant is voor het uitfilteren van SARS-CoV-2. Hun meest effectieve materiaal was een 2,5 mm dikke versie, waarbij koper 15% van het volume in beslag nam. Dit schuim had een groot oppervlak en sloot 97% van de 0,1-0,4 μm vernevelde zoutdeeltjes in, die gewoonlijk worden gebruikt in gelaatsmaskertests.

Volgens de berekeningen van het team was het ademend vermogen van hun schuimen over het algemeen vergelijkbaar met dat van in de handel verkrijgbare polypropyleen N95-gezichtsmaskers. Omdat het nieuwe materiaal op koper is gebaseerd, moeten de filters bestand zijn tegen reinigingsmiddelen, waardoor veel desinfectiemogelijkheden mogelijk zijn, en de antimicrobiële eigenschappen zullen helpen om opgesloten bacteriën en virussen te doden, aldus de onderzoekers. Bovendien zijn ze recyclebaar. De onderzoekers schatten dat de materialen momenteel ongeveer $ 2 per masker zouden kosten, en dat desinfectie en hergebruik hun levensduur zouden verlengen, waardoor ze economisch concurrerend zouden worden met huidige producten.