Covid-19-pandemin har kastat ett hårt ljus över det akuta behovet av snabba och enkla tekniker för att desinficera och desinficera vardagliga föremål med hög beröring som dörrhandtag, pennor, pennor, och personlig skyddsutrustning som bärs för att förhindra att infektioner sprids. Nu har forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory och New Jersey Institute of Technology (NJIT) visat den första flexibla, handhållen, enhet baserad på lågtemperaturplasma - en gas som består av atomer, molekyler, och fritt flytande elektroner och joner – som konsumenter snabbt och enkelt kan använda för att desinficera ytor utan särskild utbildning.

Nyligen genomförda experiment visar att prototypen, som arbetar vid rumstemperatur under normalt atmosfärstryck, kan eliminera 99,99 procent av bakterierna på ytor, inklusive textilier och metaller på bara 90 sekunder. Enheten har visat en ännu högre effektivitet på 99,9999 procent när den används med det antiseptiska väteperoxidet. Forskare tror att det kommer att vara lika effektivt mot virus. "Vi testar det just nu med mänskliga virus, " sa PPPL fysiker Sophia Gershman, första författare till en uppsats i Vetenskapliga rapporter som beskriver enheten och forskningen bakom den.

Positiva resultat välkomnas

De positiva resultaten var välkomna på PPPL, som vidgar sina portföljer för fusionsforskning och plasmavetenskap. "Vi är mycket glada över att se plasma som används för ett bredare spektrum av applikationer som potentiellt kan förbättra människors hälsa, sa Jon Menard, biträdande forskningsdirektör vid PPPL.

Den flexibla handhållna enheten, kallas en dielektrisk barriärurladdning (DBD), är byggd som en smörgås, sa Gershman. "Det är en högspänningsskiva bröd på ost som är en isolator och en jordad brödbit med hål i, " Hon sa.

Högspänningsskivan av "bröd" är en elektrod gjord av koppartejp. Den andra skivan är en jordad elektrod mönstrad med hål för att låta plasman flöda igenom. Mellan dessa skivor ligger "osten" av isoleringstejp. "I grund och botten är allt flexibel tejp som tejp eller tejp, " Sa Gershman. "Jordelektroden är vänd mot användarna och gör enheten säker att använda."

Rumstemperaturplasman interagerar med luft för att producera vad som kallas reaktiva syre- och kvävearter - molekyler och atomer av de två elementen - tillsammans med en blandning av elektroner, strömmar, och elektriska fält. Elektronerna och fälten slår sig samman för att göra det möjligt för de reaktiva arterna att penetrera och förstöra bakteriers cellväggar och döda cellerna.

Rumstemperaturplasma, som jämförs med fusionsplasmans PPPL-studier som är många gånger varmare än solens kärna, produceras genom att sända korta pulser av höghastighetselektroner genom gaser som luft, skapar plasman och lämnar ingen tid för den att värmas upp. Sådana plasma är också mycket kallare än de tusengradersplasma som laboratoriet studerar för att syntetisera nanopartiklar och bedriva annan forskning.

En speciell egenskap hos enheten är dess förmåga att förbättra effekten av väteperoxid, ett vanligt antiseptiskt rengöringsmedel. "Vi visar snabbare desinfektion än plasma eller väteperoxid enbart i stabil lågeffektdrift, " skriver författarna. "Därför, plasmaaktivering av en lågkoncentration väteperoxidlösning, att använda en handhållen flexibel DBD-enhet resulterar i en dramatisk förbättring av desinfektionen."

Nytt samarbete

Att uppnå dessa resultat var ett nytt samarbete som sammanförde plasmafysikexpertisen hos PPPL och den biologiska kunskapen hos ett laboratorium vid NJIT. "Medan vi vanligtvis är ett neurobiologiskt labb som studerar rörelse, vi var ivriga att samarbeta med PPPL i ett projekt relaterat till COVID-19, sa Gal Haspel, en professor i biologiska vetenskaper vid NJIT och en medförfattare till uppsatsen.

Medförfattaren Maria Benem Harreguy utförde plasmadesinfektionstesterna, en doktorand i biologiska vetenskaper vid NJIT, med hjälp av Gershman. "Hon gjorde alla experiment och utan henne skulle vi inte ha den här studien, sa Gershman.

Idén till denna forskning började "så snart vi kom in i covid-låsningen i mars, " sa PPPL fysiker och medförfattare Yevgeny Raitses, som leder Princeton Collaborative Temperature Plasma Research Facility (PCRF) – ett joint venture mellan PPPL och Princeton University med stöd av DOE Office of Science (FES) som tillhandahållit resurser för detta arbete genom ett användarprojekt. "Vi på PCRF funderade på hur vi skulle kunna hjälpa till att bekämpa covid genom vår forskning om lågtemperaturplasma, och det har varit spännande för oss att fortsätta detta samarbete, " han sa.

Raitses vägledde PPPL-sidan av projektet, som inkluderade att ställa in DBD baserat på en tryckt ytdesign och karakterisera plasmaurladdningen i denna enhet, och övervakade det pågående samarbetet med NJIT. Går framåt, han sa, "vi arbetar för att få tillgång till en anläggning där vi kommer att kunna tillämpa DBD och andra relevanta enheter mot SARS CoV-2-viruset" som orsakar covid-19. "Också pågår forskning med immunologer och virologer vid Princeton University och Rutgers University för att utöka användbarheten av utvecklade plasmaenheter till ett bredare spektrum av virus."