Nanotechnologia

Zanieczyszczenia powietrza oraz zawieszone w nim cząstki mogą negatywnie wpływać na zdrowie ludzi, powodując trudności w oddychaniu oraz zwiększając ryzyko występowania różnych chorób. W odpowiedzi na te problemy naukowcy wykorzystują nanotechnologię do projektowania zaawansowanych systemów oczyszczania powietrza.

PM, czyli szkodliwe cząstki zawieszone w powietrzu, obejmują zarówno mikroorganizmy wywołujące choroby, jak i cząstki plastiku oraz metali o rozmiarach mikro- i nanometrowych. Wdychanie toksycznych substancji zawartych w powietrzu stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia, zwiększając ryzyko nowotworów oraz zapadalność na choroby takie jak astma czy zawał serca. W wielu obszarach nauki i przemysłu kontrola czystości powietrza odgrywa kluczową rolę. Na przykład w biotechnologii szczególną uwagę przykłada się do ochrony przed szkodliwymi substancjami oraz groźnymi mikroorganizmami unoszącymi się w powietrzu. W celu zapewnienia odpowiedniej czystości powietrza powszechnie stosuje się filtry powietrza. Jednak tradycyjne filtry z włókna szklanego nie są w stanie wyłapać drobnego pyłu ze względu na wielkość porów, a ich działanie na mikroorganizmy jest ograniczone.

Nanowłóknami nazywamy włókna o bardzo małych średnicach, wynoszących około 50- 500nm. Charakteryzują się one znaczącą długością oraz niewielkim przekrojem poprzecznym, którego średnica jest około 100 razy mniejsza od długości. Nanowłókna występuj zarówno w materiałach naturalnych (np. włókna kolagenowe w tkankach) jak i w materiałach wytwarzanych przez człowieka. Mogą pełnić rolę materiału umacniającego osnowę w kompozytach albo stanowić główny składnik materiału (tkanina, włóknina).

Elektroprzędzenie, ze względu na swoją ekonomiczność oraz możliwość tworzenia włókien zarówno z tradycyjnych polimerów, jak i tych biokompatybilnych, jest jedną z najbardziej popularnych metod wytwarzania nanowłókien stosowanych w filtrach powietrza. Metoda elektroprzędzenia (ang. electrospinning) polega na wytwarzaniu nanowłókien poprzez zastosowanie pola elektrostatycznego do roztworu polimerowego. Pod wpływem pola elektrycznego roztwór jest rozciągany w cienkie włókno, które zbierane jest na powierzchni kolektora, tworząc warstwę nanowłókien o nanometrycznych średnicach. Proces ten jest stosunkowo prosty i pozwala na produkcję włókien z różnych materiałów stosowanych w różnych produktach. Dodatkowo, do roztworu polimerowego można dodać nanocząstki, co pozwala na wytwarzanie nanowłókien o specyficznych właściwościach, takich jak zdolność do katalizy, zwiększona wytrzymałość mechaniczna czy zdolności antybakteryjne.

Polskie sukcesy w wykorzystaniu nanotechnologii w oczyszczaniu powietrza

Naukowcy z Politechniki Gdańskiej, we współpracy z naukowcami z Włoch, zaprojektowali stanowisko do wytwarzania filtrów powietrza z polilaktydu (PLA) metodą elektroprzędzenia. Całość można łatwo skonstruować przy użyciu drukarki 3D. PLA to biodegradowalny, biokompatybilny polimer otrzymywany z surowców odnawialnych, takich jak skrobia kukurydziana.

Zaprojektowany aparat elektroprzędzący, będący open-source, jest dostępny dla szerokiego grona użytkowników, co umożliwia produkcję nanowłókien PLA w różnych miejscach i w krótkim czasie. W sytuacjach kryzysowych, takich jak pandemia COVID-19, ta technologia pozwala na szybką i efektywną produkcję filtrów powietrza, oferując zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnych środków ochrony osobistej (PPE).

Filtry powietrza zbudowane z nanowłókien PLA oraz kompozytów PLA wykazują doskonałe zdolności do filtracji powietrza zarówno z pyłów, jak i bakterii. Wydajność filtracji dla cząstek PM2.5 wynosi ponad 97%, a w przypadku bakterii E. coli oraz S. aureus wydajność osiąga poziom ponad 99%. Podwójnie warstwowy filtr elektroprzędzony z PLA osiągnął wydajność filtracji do 95% cząstek o średnicy większej niż 230 nm, porównywalną z maską FFP2.

Dzięki swojej efektywności filtracji oraz niewielkim kosztom budowy stacji do produkcji nanowłókien, opracowana metoda pozwala na produkcję materiałów do filtrów powietrza w dowolnym miejscu. Jest to ważna zaleta w kontekście ochrony środowiska, gdyż wykorzystuje materiały ekologiczne i biodegradowalne, wpisując się w zasadę gospodarki o obiegu zamkniętym. Ponadto, długoterminowe testy filtracji, przeprowadzone zarówno w warunkach domowych, jak i przemysłowych, potwierdziły niezawodność i skuteczność tych filtrów jako środków ochrony osobistej (PPE).