När COVID-19 förklarades som en pandemi i mars 2020, Oak Ridge National Laboratory's Parans Paranthaman fann plötsligt att han arbetade hemifrån som miljontals andra.

En företagsstipendiat i laboratoriets kemiska vetenskapsavdelning, han insåg snabbt att hans bakgrund inom solid state-kemi och material skulle kunna gynna hälso- och sjukvårdssamhället som behöver utrustning som kan filtrera bort partiklar i nanometerstorlek av COVID-19.

"Merlin Theodore, som leder forskningsinsatser vid Carbon Fiber Technology Facility, ringde mig och sa:"Jag måste förstå vilket material som fungerar bäst på vår produktionslinje för att göra N95 -maskfilter, och jag måste veta detta igår, ", Påminde Paranthaman." Och hon frågade om vi kunde använda neutroner och nanovetenskapliga anläggningar för att bevisa det. "

Theodore ingår i ett team som leds av ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, som samordnade ett svar på tillverkning av COVID-19 som en del av Department of Energy National Virtual Biotechnology Laboratory. Teamet rådfrågade också Peter Tsai, en pensionerad professor vid University of Tennessee som uppfann den elektrostatiska laddningsprocessen för att skapa N95 -filtermedia, för att lära sig hur man införlivar förmågan vid CFTF.

"Vi hade aldrig försökt något liknande tidigare i den här typen av tidsramar, "Paranthaman sa." Vi höjde forskningen som borde ha tagit ett år eller mer i en period på några veckor med industriell användning till sommaren. "

"Men det finns ingen utmaning jag inte har mött än. Syftet med min forskning är att hitta lösningar."

Polypropylenfokus

Paranthamans forskningsresultat om N95 -filtermediet, nyligen publicerad i ACS Applied Polymer Materials , skissera vetenskapen bakom vad som ledde till ORNLs framgångsrika produktion av material på CFTF:s produktionslinje för föregångare. Tekniken överfördes senare under användaravtal till två branschpartners - Cummins och DemeTECH - för kommersiellt bruk, vilket leder till leverans av miljontals masker i hela USA, samt att lägga till tusentals jobb.

Som en av de första studierna på polypropen, även känd som PP, när det gäller COVID-19, Paranthamans papper fungerar som en guide för att förstå hur ett nytt virus reagerar på polymerbaserade material. PP har länge varit branschstandardmaterial för filtrering, men att förstå vilka kommersiella föreningar eller föregångare till materialet som är bäst lämpade för massproduktion kräver vanligtvis tidskrävande test och fel.

"Vi hade en unik situation med COVID-19. Först, det är ett nytt virus som inte är mycket känt om det. Andra, den är liten, från 60 till 140 nanometer, vilket innebär att partiklarna kan tränga igenom de minsta öppningarna. Och för det tredje, vi hade ingen tid för misstag, "Paranthaman förklarade." Vi var tvungna att ha ett material som kunde filtrera bort mer än 95 procent av dessa submikronpartiklar. Det måste vara praktiskt taget ogenomträngligt, men samtidigt, det måste andas. "

N95-masken är tillverkad av tvålagers PP, ett ovävt material permanent elektrostatiskt laddat med miljontals mikrofiber lagrade ovanpå varandra för att bilda ett ark. Theodores team vid CFTF använde smältblåsning, som gör mikrofibrer till ett tyg genom att extrudera ett polymerharts genom ett munstycke vid hög lufthastighet, att ta fram tre prover av PP av kommersiell kvalitet för Paranthaman att utvärdera.

"Vi använde flera karaktäriseringsmetoder på ORNL för att bättre förstå filtereffektiviteten hos PP och uppmanade styrkorna hos användarfaciliteter som Center for Nanophase Materials Sciences och Spallation Neutron Source, "Sa Paranthaman.

Karakteriseringsmetoder inkluderade differentialskanningskalorimetri för att mäta mängden energi som överförs mellan de smältblåsta fibrerna; Röntgendiffraktion för att förstå fibrernas kristallorientering eller textur; och neutronspridning för att studera molekylvibrationerna. Skanningselektronmikroskopi användes för att förstå arrangemanget av de smältblåsta fibrerna och deras mikrostruktur och för att karakterisera deras diametrar.

"Det är viktigt att förstå hur mycket av partiklarna filtret stoppar, "Sa Paranthaman.

Teamet använde natriumklorid-aerosolpartiklar som efterliknade storleken på COVID-19 för att tränga igenom filtret, mätte sedan partiklarna när de stötte på PP. Två lager av den smältblåsta fibern staplades ihop för testning med en luftflödeshastighet av 50 liter per minut.

Kristallklart resultat

Paranthamans forskning visade att även om råvarorna var nästan identiska i sammansättning, de presterade mycket annorlunda när de laddades. Den mest anmärkningsvärda skillnaden var i kristallisering, eller hur materialet stelnar atomer och molekyler till en strukturerad form.

"Vi jämförde laddat och oladdat PP -material med ett tillsatsmedel och utan, "Paranthaman förklarade." Kristallisering hade en tydlig inverkan på materialets förmåga att filtrera i varje exempel; ett större antal kristalliter bildar en starkare elektrisk laddning, vilket leder till mer effektiv filtrering. "

Forskningsresultat fastställde vidare att material som har högre kristallisationsstartstemperaturer, långsammare kristallisation och ett större antal mindre, mikroskopiska kristalliter är mer effektiva vid filtrering. Paranthamans studie av PP -proverna visade vilket material som sannolikt skulle uppfylla filtreringsmålet i tygvikt, effektivitet, motstånd, fiberdiameter och procent av elektrostatisk laddning.

I slutet av april, CFTF producerade material som filtrerade 99% av viruset. I maj, tekniken överfördes till industrin.

Forskargruppen vann ORNL:s Director's Award for Mission Support för den snabba utvecklingen av N95 -filtermedier och tekniköverföring. Men, Paranthaman sa, det vetenskapliga arbetet med N95 -filtermedia har just börjat.

"Detta papper gav en tredimensionell titt på materialen så att vi kunde se alla förändringar i laddad fiber kontra icke-laddad, "Paranthaman sa." Vi visste att laddningen minskar fiberdiametern, till exempel, men det förändrar också porositeten, och det är avgörande för materialets prestanda. Vårt uppföljningspapper kommer tydligt att beskriva skillnaderna mellan laddade och icke-laddade och ge ännu större inblick i N95-filtermedier. "

Titeln på ACS Applied Polymer Materials artikeln är "polymerer, Tillsatser, och bearbetningseffekter på N95 -filterprestanda. "