I forskning som kan leda till bättre gasmaskfilter, forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har satt röntgenstrålkastare på kompositmaterial i respiratorer som används av militären, polis, och första responders, och resultaten har varit uppmuntrande. Det de lär sig ger inte bara lugnande nyheter om effektiviteten hos nuvarande filter för att skydda människor från dödliga föreningar som VX och sarin, men de ger också grundläggande information som kan leda till mer avancerade gasmasker samt skyddsutrustning för civila tillämpningar.

Projektet vid Berkeley Lab leds av Hendrik Bluhm, en senior forskare med gemensamma utnämningar inom Chemical Sciences Division och Advanced Light Source (ALS). I hans team finns två postdoktorer vid avdelningen för kemiska vetenskaper, Lena Trotochaud och Ashley Head. Berkeley Lab-teamet är en del av ett större samarbete som inkluderar forskare vid University of Maryland at College Park, Johns Hopkins University, och U.S. Naval Research Laboratory.

Forskarna påpekade att att studera hur metalloxider interagerar med små organofosfater kan vara relevant utöver de gasmasker som används av militären och räddningspersonal. Arbetet de gör kan ha tillämpningar inom avkänningsteknik. Dessutom, mindre potenta former av organofosfater används ofta som bekämpningsmedel och herbicider, så resultaten kan hjälpa jordbruksindustrin och miljöforskare att förstå vad som till slut händer med dessa ämnen efter att de släppts ut i miljön.

"Det här är ett projekt där vi arbetar för att hjälpa till att rädda liv, sade Trotochaud. Det är mycket tillfredsställande.

För huvud, projektet gav ett särskilt relevant samtalsämne vid familjesammankomster.

"Min svägerska är i flygvapnet, sade Head. "Jag berättade för henne vad jag gör, och hon sa, 'När jag är utplacerad, Jag får en gasmask. Fungerar det?' Hon berättar för sina kollegor om vad jag jobbar med. Så mycket av det vi gör inom grundläggande vetenskap är långt ifrån en tillämpning. Även om vårt arbete fortfarande är grundläggande, Jag kan nu berätta för min familj vad jag gör, och de kommer faktiskt att förstå."

Fungerar maskerna?

Nuvarande gasmaskfilter motverkar nuvarande hot, men det finns stora luckor i kunskap om hur de gör det på molekylär nivå, sa forskarna. Frågan kommer upp eftersom många av filtren utvecklades för att hantera ett brett spektrum av ständigt föränderliga kemiska hot och för att fungera under en mängd olika förhållanden över hela världen. Under första världskriget, kemiska stridsmedel var till övervägande del klor och senapsgaser.

Sedan dess, en ny klass av kemiska vapen kom till platsen. Sarin och giftämnet X, eller VX, är nervämnen så kallade för att de stör nervsystemets förmåga att kommunicera med muskler, inklusive de som styr andningen. De nuvarande materialen som används i gasmaskfilter ger effektivt skydd mot alla dessa föreningar, trots de mycket olika kemiska egenskaperna hos gaserna.

Gasmaskfilter inkluderar aktivt kol, en familj av absorbenter som fångar gifter i miljontals mikroporer. Det är samma förening som används för att filtrera vatten och behandla intag av gifter. Det aktiva kolet fångar gifterna, men i gasmasker är det ytterligare förstärkt med metalloxider, som koppar och molybden, för att hjälpa till att bryta ner toxiner.

"Även om de första gasmaskfiltren utvecklades innan dessa nya nervämnen dök upp, de nuvarande filtren är effektiva för att fånga dem, och de verkar också vara bra på att bryta ner dem, men vi har fortfarande några frågor om kemin i denna process, " sa Trotochaud. "Vi vet att det fungerar, men vi vet inte alltid hur det misslyckas. Vi vet att filtren ibland slutar fungera efter ett tag när de utsätts för dessa organofosforföreningar, så kemin i hur materialet deaktiveras efter exponering för dessa ämnen är en stor del av det vi studerar."

Forskarna från Berkeley Lab riktade in sig på två metalloxider – molybdenoxid och kopparoxid – som är nyckelkomponenter i gasmaskfilter. För att simulera de små organofosformolekylerna av sarin och VX, forskarna arbetade med dimetylmetylfosfonat (DMMP), en etablerad proxy för sarin med liknande funktionella grupper men signifikant lägre toxicitet.

Målet är att bättre förstå de molekylära interaktioner som uppstår när olika gaser adsorberas av gasmaskens filtermaterial, och miljöförhållandena – luftföroreningar, dieselbränsleavgaser, vatten – som kan förändra prestanda och hållbarhet, så att ännu bättre material kan utvecklas.

"Mycket av vårt tidiga arbete fokuserade på karaktärisering, sa Bluhm, projektets huvudutredare. "Det fanns många detaljer att lösa. Vad exakt gör kopparoxid? Vad gör molybdenoxid? Varför beter sig den ena annorlunda än den andra? Att förstå var skillnaderna finns kan göra dessa filtreringsmaterial potentiellt mycket effektivare."

Effekterna av vattenånga var av särskilt intresse på grund av hur maskerna används, noterade Bluhm.

"Det är en filtreringsmask som sitter framför våra munnar, så det är hög luftfuktighet när vi andas in i det, ", sa han. "Bland de publicerade resultaten från vårt projekt är att vattenånga verkar vara neutral eller till och med fördelaktig för materialens prestanda."

Detta rapporterades i en studie från 2016, som fann att vattenexponering aktiverade kompositytan på ett sätt som underlättade bindningen av DMMP-molekylen, sänker energin som krävs för att bryta ner molekylen.