Quando COVID-19 foi declarada uma pandemia em março de 2020, Parans Paranthaman, do Oak Ridge National Laboratory, de repente se viu trabalhando em casa como milhões de outras pessoas.

Membro corporativo da Divisão de Ciências Químicas do laboratório, ele rapidamente percebeu que sua formação em química e materiais de estado sólido poderia beneficiar a comunidade de saúde que precisa de equipamentos capazes de filtrar as partículas nanométricas do COVID-19.

"Merlin Theodore, que lidera os esforços de pesquisa no Carbon Fiber Technology Facility, me ligou e disse, "Preciso entender qual material terá melhor desempenho em nossa linha de produção para fazer mídia de filtro de máscara N95, e eu preciso saber disso ontem, "Paranthaman lembrou." E ela perguntou se poderíamos usar nêutrons e instalações de nanociência para provar isso. "

Theodore faz parte de uma equipe liderada por ORNL Corporate Fellow Lonnie Love, que estava coordenando uma resposta de pesquisa de manufatura COVID-19 como parte do Laboratório Nacional de Biotecnologia Virtual do Departamento de Energia. A equipe também consultou Peter Tsai, um professor aposentado da Universidade do Tennessee que inventou o processo de carga eletrostática para a criação de mídia de filtro N95, para aprender como incorporar a capacidade do CFTF.

"Nunca havíamos tentado algo assim antes neste tipo de período de tempo, "Paranthaman disse." Estávamos aumentando a pesquisa que deveria levar um ano ou mais para um período de algumas semanas com uso da indústria no verão. "

"Mas não há nenhum desafio que eu ainda não tenha enfrentado. O objetivo da minha pesquisa é encontrar soluções."

Foco de polipropileno

Os resultados da pesquisa de Paranthaman sobre a mídia de filtro N95, publicado recentemente em Materiais de polímero aplicado ACS , delinear a ciência por trás do que levou à produção bem-sucedida de material do ORNL na linha de produção do precursor do CFTF. A tecnologia foi posteriormente transferida sob acordos de usuário para dois parceiros da indústria - Cummins e DemeTECH - para uso comercial, levando ao fornecimento de milhões de máscaras em todos os EUA, além de adicionar milhares de empregos.

Como um dos primeiros estudos em polipropileno, também conhecido como PP, em relação ao COVID-19, O artigo de Paranthaman serve como um guia para entender como um novo vírus responde a materiais à base de polímeros. O PP tem sido o material padrão da indústria para filtração, mas entender quais compostos comerciais ou precursores do material são mais adequados para a produção em massa geralmente requer tentativa e erro demorada.

"Tivemos uma situação única com o COVID-19. Primeiro, é um novo vírus sem muito conhecimento sobre ele. Segundo, é pequeno, variando de 60 a 140 nanômetros, o que significa que as partículas são capazes de penetrar nas menores aberturas. E terceiro, não tínhamos tempo para erros, "Paranthaman explicou." Tínhamos que ter um material que pudesse filtrar mais de 95 por cento dessas partículas submicrônicas. Tinha que ser virtualmente impermeável, mas ao mesmo tempo, tem que ser respirável. "

A máscara N95 é feita de PP de duas camadas, um material não tecido permanentemente carregado eletrostaticamente com milhões de microfibras em camadas umas sobre as outras para formar uma folha. A equipe de Theodore na CFTF usou derretimento, que transforma as microfibras em um tecido extrudando uma resina de polímero através de uma matriz em alta velocidade do ar, para produzir três amostras de PP comercial para avaliação de Paranthaman.

"Usamos vários métodos de caracterização no ORNL para entender melhor a eficiência do filtro de PP e apelamos aos pontos fortes das instalações do usuário, como o Center for Nanophase Materials Sciences e Spallation Neutron Source, "Paranthaman disse.

Os métodos de caracterização incluíram calorimetria de varredura diferencial para medir a quantidade de energia transferida entre as fibras fundidas; Difração de raios-X para entender a orientação do cristal ou textura das fibras; e espalhamento de nêutrons para estudar a vibração molecular. Microscopia eletrônica de varredura foi usada para entender o arranjo das fibras fundidas e sopradas e sua microestrutura e para caracterizar seus diâmetros.

"É importante entender o quanto das partículas o filtro pára, "Paranthaman disse.

A equipe usou partículas de aerossol de cloreto de sódio imitando o tamanho do COVID-19 para penetrar no filtro, em seguida, mediu as partículas quando encontraram o PP. Duas camadas da fibra fundida e soprada foram empilhadas juntas para teste a uma taxa de fluxo de ar de 50 litros por minuto.

Resultados cristalinos

A pesquisa de Paranthaman revelou que, embora os materiais da matéria-prima fossem quase idênticos em composição, eles tiveram um desempenho muito diferente quando carregados. A diferença mais notável foi na cristalização, ou como o material solidifica átomos e moléculas em uma forma estruturada.

"Comparamos o material PP carregado e não carregado com um aditivo e sem, "Paranthaman explicou." A cristalização teve um impacto claro na capacidade de filtragem do material em cada exemplo; um número maior de cristalitos forma uma carga elétrica mais forte, levando a uma filtragem mais eficaz. "

Os resultados da pesquisa determinaram ainda que o material que tem temperaturas de início de cristalização mais altas, cristalização mais lenta e um número maior de menores, cristalitos microscópicos são mais eficazes na filtração. O estudo de Paranthaman das amostras de PP mostrou qual material provavelmente atenderia à meta de filtração em peso de tecido, eficiência, resistência, tamanho do diâmetro da fibra e porcentagem de carga eletrostática.

No final de abril, o CFTF estava produzindo material que filtrava 99% do vírus. Por maio, a tecnologia foi transferida para a indústria.

A equipe de pesquisa ganhou o Prêmio do Diretor do ORNL para Apoio à Missão pelo rápido desenvolvimento da mídia de filtro N95 e transferência de tecnologia. Mas, Paranthaman disse, o trabalho científico sobre a mídia de filtro N95 está apenas começando.

"Este documento forneceu uma visão tridimensional dos materiais para que pudéssemos ver todas as mudanças na fibra carregada versus não carregada, "Paranthaman disse." Sabíamos que a carga reduz o diâmetro da fibra, por exemplo, mas também muda a porosidade, e isso é fundamental para o desempenho do material. Nosso documento de acompanhamento irá delinear claramente as diferenças entre carregados e não carregados e dar uma visão ainda maior sobre a mídia de filtro N95. "

O título do Materiais de polímero aplicado ACS artigo é "Polímeros, Aditivos, e efeitos de processamento no desempenho do filtro N95. "