Ansiktsmasker har blivit ett viktigt verktyg i kampen mot covid-19-pandemin. Dock, felaktig användning eller kassering av masker kan leda till "sekundär överföring". Ett forskarlag från City University of Hong Kong (CityU) har framgångsrikt producerat grafenmasker med en antibakteriell effektivitet på 80 %, som kan förbättras till nästan 100% med exponering för solljus i cirka 10 minuter. Inledande tester visade också mycket lovande resultat i deaktiveringen av två arter av coronavirus. Grafenmaskerna tillverkas enkelt till låg kostnad, och kan hjälpa till att lösa problemen med att anskaffa råvaror och kassera icke biologiskt nedbrytbara masker.

Forskningen utförs av Dr. Ye Ruquan, biträdande professor från CityU:s institution för kemi, i samarbete med andra forskare. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano , med titeln " Självrapporterande och fototermiskt förbättrad snabb bakteriedödande på en laserinducerad grafenmask ".

Vanligt använda kirurgiska masker är inte antibakteriella. Detta kan leda till risk för sekundär överföring av bakteriell infektion när människor vidrör de förorenade ytorna på använda masker eller kasserar dem på ett felaktigt sätt. Dessutom, de smältblåsta tygerna som används som bakteriefilter påverkar miljön eftersom de är svåra att bryta ner. Därför, forskare har letat efter alternativa material för att göra masker.

Konvertera andra material till grafen med laser

Dr. Ye har studerat användningen av laserinducerad grafen för att utveckla hållbar energi. När han studerade Ph.D. examen vid Rice University för flera år sedan, forskargruppen han deltog i och leddes av sin handledare upptäckte ett enkelt sätt att framställa grafen. De fann att direkt skrivning på kolinnehållande polyimidfilmer (ett polymert plastmaterial med hög termisk stabilitet) med en kommersiell CO ₂ infrarött lasersystem kan generera 3-D porös grafen. Lasern ändrar strukturen på råmaterialet och genererar därmed grafen. Det är därför det kallas laserinducerad grafen.

Grafen är känt för sina antibakteriella egenskaper, så tidigt som i september förra året, före utbrottet av covid-19, Dr Ye tänkte redan på att producera masker som överträffar prestanda med laserinducerat grafen. Han kickstartade sedan studien i samarbete med forskare från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Nankai University, och andra organisationer.

Utmärkt antibakteriell effektivitet

Forskargruppen testade sin laserinducerade grafen med E. coli, och den uppnådde hög antibakteriell effektivitet på cirka 82 %. I jämförelse, den antibakteriella effektiviteten hos aktiverade kolfiber och smältblåsta tyger, både vanliga material i masker, var endast 2 % respektive 9 %. Experimentresultat visade också att över 90 % av E. coli som deponerats på dem förblev vid liv även efter 8 timmar, medan de flesta av E. coli avsatta på grafenytan var döda efter 8 timmar. Dessutom, den laserinducerade grafenen visade en överlägsen antibakteriell kapacitet för aerosoliserade bakterier.

Dr Ye sa att det behövs mer forskning om den exakta mekanismen för grafens bakteriedödande egenskap. Men han trodde att det kan vara relaterat till skadan av bakteriecellsmembran av grafens skarpa kant. Och bakterierna kan dödas av uttorkning inducerad av den hydrofoba (vattenavstötande) egenskapen hos grafen.

Tidigare studier antydde att COVID-19 skulle förlora sin smittsamhet vid höga temperaturer. Så laget genomförde experiment för att testa om grafenens fototermiska effekt (som producerar värme efter att ha absorberat ljus) kan förstärka den antibakteriella effekten. Resultaten visade att den antibakteriella effektiviteten hos grafenmaterialet kunde förbättras till 99,998 % inom 10 minuter i solljus, medan aktivt kolfiber och smältblåsta tyger endast visade en effektivitet på 67 % respektive 85 %.

Teamet arbetar för närvarande med laboratorier på det kinesiska fastlandet för att testa grafenmaterialet med två arter av mänskliga coronavirus. Inledande tester visade att det inaktiverade över 90 % av viruset på fem minuter och nästan 100 % på 10 minuter i solljus. Teamet planerar att genomföra tester med COVID-19-viruset senare.

Deras nästa steg är att ytterligare förbättra antiviruseffektiviteten och utveckla en återanvändbar strategi för masken. De hoppas kunna släppa den på marknaden kort efter att ha designat en optimal struktur för masken och erhållit certifieringarna.

Dr Ye beskrev produktionen av laserinducerad grafen som en "grön teknik". Alla kolhaltiga material, som cellulosa eller papper, kan omvandlas till grafen med denna teknik. Och omvandlingen kan utföras under omgivande förhållanden utan att använda andra kemikalier än råvarorna, inte heller orsaka föroreningar. Och energiförbrukningen är låg.

"Laserinducerade grafenmasker är återanvändbara. Om biomaterial används för att producera grafen, det kan hjälpa till att lösa problemet med att anskaffa råmaterial för masker. Och det kan minska miljöpåverkan som orsakas av de icke biologiskt nedbrytbara engångsmaskerna, " han lade till.

Dr Ye påpekade att det är lätt att producera laserinducerad grafen. På bara en och en halv minut, en yta på 100 cm² kan omvandlas till grafen som det yttre eller inre lagret av masken. Beroende på råvarorna för att producera grafen, Priset på den laserinducerade grafenmasken förväntas ligga mellan kirurgisk mask och N95-mask. Han tillade att genom att justera lasereffekten, storleken på porerna i grafenmaterialet kan modifieras så att andningsförmågan skulle likna kirurgiska masker.

Ett nytt sätt att kontrollera maskens skick

För att underlätta för användare att kontrollera om grafenmasker fortfarande är i gott skick efter att ha använts under en period, teamet tillverkade en hygroelektrisk generator. Den drivs av elektricitet som genereras från fukten i människans andetag. Genom att mäta förändringen i den fuktinducerade spänningen när användaren andas genom en grafenmask, det ger en indikator på maskens tillstånd. Experimentresultat visade att ju mer bakterier och atmosfäriska partiklar samlades på maskens yta, desto lägre blev spänningen. "Standarden för hur ofta en mask ska bytas är bättre att bestämmas av proffsen. Ändå, den här metoden vi använde kan fungera som en referens, " föreslog Dr. Ye.