Các dây nano đồng được biến đổi thành dạng bọt có thể phủ lên các hạt siêu mịn (kích thước nhỏ hơn micromet) trong không khí với hiệu suất đạt trên 96.6%. Các nhà nghiên cứu tại đại học George của Mỹ, nơi đã phát triển vật liệu này, cho biết: vật liệu này có khối lượng rất nhẹ, chịu được hóa chất, dễ làm sạch, dễ tái sử dụng và tái chế, có thể được dùng trong mặt nạ cũng như máy lọc không khí và có thể giúp chống đại dịch COVID-19.
Trong công bố của mình và cộng sự trên tạp chí uy tín Nano Letters, Kai Liu và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng cuộc khủng hoảng y tế và sức khoẻ liên quan đến COVID-19 đã nhấn mạnh vai trò quan trọng của các hạt bụi mịn (kích thước nhỏ hơn micromet) và các vi hạt trong không khí tới sự lây lan các bệnh truyền nhiễm qua đường hô hấp. Bản thân virut gây ra COVID-19, SARS-CoV-2 có kích thước rất nhỏ chỉ cỡ khoảng 0.1 micromet.
Vấn đề về các hạt siêu mịn
Nếu một người bị lây nhiễm virut, khi họ thở ra (đặc biệt nếu họ ho hoặc hắt hơi), họ sẽ giải phóng các hạt virut vào không khí. Những hạt này thường được gắn vào các giọt bắn lớn hơn nhiều. Các giọt bắn và các hạt lớn hơn 2.5 micromet thường có tầm ảnh hưởng hạn chế bởi chúng nhanh chóng rơi xuống đất do trọng lực. Tuy nhiên, các vật thể có kích thước dưới kích cỡ này (kí hiệu là PM2.5), chẳng hạn như các hạt sol khí (aerosol) có chứa virut, có thể lơ lửng trong không khí nhiều giờ hay thậm chí vài ngày và đi một khoảng cách xa, làm lây lan virut khi chúng di chuyển. Các hạt siêu mịn, có kích thước 0.3 micromet hoặc nhỏ hơn (PM0.3), còn nguy hiểm hơn vì chúng có thể xâm nhập sâu vào hệ hô hấp, thậm chí một số còn đi vào mạch máu.
Các sợi trên bề mặt của khẩu trang sẽ hút những hạt nhỏ này vào khẩu trang thông qua lực Van der Waals. Các dây hay sợi tích điện tiến thêm một bước nữa là hút các hạt thông qua tương tác tĩnh điện. Vấn đề là, các sợi polyme mà thường được sử dụng trong các bộ lọc không khí dạng hạt (HEPA) hiệu suất cao và khẩu trang N95 có xu hướng bị biến dạng khi tiếp xúc với bức xạ UV, dung môi hoặc dung dịch tẩy rửa chứa gốc Clo. Điều này gây khó khăn cho quá trình khử khuẩn và tái sử dụng các khẩu trang hay các bộ lọc HEPA. Bên cạnh đó, hiệu quả lọc của các sợi vải tích điện sẽ giảm đáng kể khi khẩu trang bị ẩm và làm các sợi vải mất dần các điện tích. Một vấn đề nữa là khối lượng lớn rác thải làm từ nhựa hiện đang được tạo ra trên khắp thế giới dưới dạng khẩu trang đã qua sử dụng.
Bọt kim loại là những bộ lọc hiệu quả
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bọt kim loại có thể đóng vai trò là các bộ lọc hiệu quả đối với các hạt siêu mịn trong không khí. Ngoài cấu trúc chắc chắn – ngay cả với nhiệt độ và áp suất cao – các vật liệu này có khả năng chống lại các dung môi hữu cơ khác nhau, hóa chất ăn mòn và thậm chí cả bức xạ tia cực tím.
Trong công trình mới của mình, Liu và các cộng sự đã chế tạo thành công bọt kim loại bằng cách đúc các dây nano đồng được thực hiện bằng kỹ thuật lắng đọng điện thành và tạo thành một hệ vật liệu 3 chiều. Sau đó, họ làm ổn định cấu trúc thu được bằng cách thiêu kết ở nhiệt độ cao. Cuối cùng, họ phủ một lớp đồng thứ hai (một lần nữa sử dụng phương pháp lắng đọng điện) để tăng cường thêm vật liệu.
Bộ lọc hiệu quả cao với một dải rộng của kích thước hạt bụi
Diện tích bề mặt cực lớn của bọt kim loại làm cho chúng trở thành bộ lọc tuyệt vời cho các hạt bụi có kích thước khác nhau, bao gồm cả PM0.3. Thật vậy, nhóm nghiên cứu tại Georgetown phát hiện ra rằng bọt kim loại đã lọc hiệu quả các hạt trong phạm vi kích thước 0.1 đến 1.6 μm. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc chống lại COVID-19, vì các hạt sol khí mang vi rút có kích thước nằm trong phạm vi này và rất khó để có thể bắt các hạt sol khí có kích thước nằm trong dải này.
Vật liệu hiệu quả nhất mà nhóm nghiên cứu chế tạo được có bề dày 2.5mm và chứa 15% thể tích là đồng. Bọt này giữ lại 97% hạt sol khí của muối có kích thước 0.1-0.4 μm (được dùng để thử nghiệm khẩu trang) mà không sử dụng tĩnh điện. Khả năng hô hấp của bọt nói chung ngang bằng, hoặc thậm chí cao hơn khẩu trang bằng polypropylene N95 bán sẵn trên thị trường (như đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng phép đo chênh lệch áp suất).
Các nhà nghiên cứu cho biết, bọt kim loại này có thể dễ dàng làm sạch bằng việc rửa sạch chúng với nước hoặc sục khí nén vào chúng. Và vì vật liệu được chế tạo từ đồng, nó sẽ có thể tái chế và chống lại các sản phẩm tẩy rửa từ hóa chất. Đồng cũng là kim loại có tính kháng khuẩn tự nhiên, do đó, nó cũng sẽ hỗ trợ tiêu diệt các virut bị mắc lại trên bề mặt bộ lọc.
Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, vật liệu này hiện có giá khoảng $2/mặt nạ, con số có thể giảm hơn nữa khi sản xuất hàng loạt ở quy mô công nghiệp. Thực tế, với khả năng được khử trùng và tái sử dụng, chúng có thể cạnh tranh về mặt kinh tế với các sản phẩm hiện hành.
Liu cho biết: “Các kết quả mà nhóm đã đạt được hứa hẹn một loại vật liệu mới cho các bộ lọc bụi mịn hiệu quả cao, đặc biệt đối với các hạt siêu mịn như virut SARS-CoV-2, và có thể sử dụng để chế tạo khẩu trang,”. Ông cũng chia sẻ với Physics World: ”Chúng tôi hiện đang có kế hoạch khám phá một số cơ chế lọc khác, thứ có thể cải thiện hơn nữa hiệu quả lọc của bọt, và tăng cường các chức năng mới trong hệ thống lọc khí”.
Bài gốc: Copper nanowire foams filter tiny airborne particles (Physicsworld 17/04/2021)
Nguồn: Prsep