Rozwój materiałoznawstwa i potrzeby przemysłu sprawiają, że przyszłość jednej i drugiej dziedziny rozegra się w skali nano. Przyczyna tego stanu rzeczy jest prosta: wraz z zejściem poniżej mikrometrów związki, które człowiek zna i wykorzystuje od setek lat, nabierają zupełnie nowych właściwości. Przykładem pierwszym z brzegu jest węgiel i jego odmiany – grafen i nanorurki. Ponieważ w każdej z nich jeden z fizycznych rozmiarów ma mniej niż 100 nanometrów, biorą w nich górę zjawiska kwantowe nadające materiałom zupełnie nowych właściwości.

Z nanomateriałami jest tylko jeden poważny problem: ponieważ są tak drobne, trudno się przed nimi chronić. – Nie ma w tej chwili żadnych przepisów i norm, które wyznaczałyby najwyższe dopuszczalne stężenia dla nanomateriałów. Co prawda trwają już nad nimi prace, ale przeszkodą jest brak odpowiednich badań w tym zakresie – mówi dr inż. Agnieszka Brochocka z Zakładu Ochron Osobistych w Łodzi, placówki Centralnego Instytutu Ochrony Pracy. Naukowcy i władze publiczne zdają sobie sprawę z tego zagrożenia. Rząd amerykański oprócz National Nanotechnology Initiative – krajowego programu rozwoju nanotechnologii – przeznacza także środki na rozpoznanie nanozagrożeń w ramach badań prowadzonych przez Narodowy Instytut Zdrowia. Podobną inicjatywę finansuje również Unia Europejska.

Jeśli jednak chcemy zawczasu zabezpieczyć się przed nanozagrożeniami, to najprostszym rozwiązaniem jest modyfikacja już istniejących technologii, tak żeby nie trzeba było ponosić gigantycznych kosztów związanych z kompletną wymianą linii produkcyjnych i środków ochrony indywidualnej. Takich jak nakładane na twarz półmaski, które chronią układ oddechowy przed aerozolami, tj. pyłami, dymami, mgłami. Właśnie takie rozwiązanie zaproponowali naukowcy z łódzkiego oddziału CIOP. Dzięki niemu półmaski filtrujące nie tylko doskonale wychwytują nanomateriały, lecz także zapobiegają zagrożeniom biologicznym, przede wszystkim drobnym kroplom unoszącym cząstki bakterii, tzw. bioaerozolom.

Półmaski filtrujące wykonuje się obecnie w technologii melt-blow („rozpuść i rozdmuchaj”). Polega ona tym, że granulat tworzywa sztucznego wstępnie uplastycznia się pod wpływem temperatury, a następnie trafia on do głowicy włóknotwórczej. Tam nadtopione tworzywo przeciskane jest przez swego rodzaju sito, co zamienia granulat na strumyki stopionego polimeru. Na nie z kolei działa strumień gorącego powietrza rozdmuchujący strumyki polimeru na setki cieniutkich włókienek o różnej grubości i długości, nawijanych na obrotowy wał umieszczony pod głowicą. Z kilku takich nawiniętych warstw powstaje materiał, z którego wykonana jest półmaska filtrująca.

Znając powyższą technologię produkcji naukowcy z CIOP zastanawiali się, jak ją usprawnić, by osiągnąć założony przez siebie cel. – Chodziło o to, żeby do polimeru dodać modyfikator, który przyczepiłby się do włókien, a jednocześnie wzmocniłby siły elektrostatyczne powstałe podczas nanoszenia w trakcie produkcji ładunków elektrostatycznych. Dzięki niemu modyfikator byłby w stanie wychwytywać i dosłownie ściągać do siebie nanocząstki – mówi dr inż. Brochocka. Substancjami, na które padł wybór naukowców, okazały się perlit i bursztyn, którego elektrostatykę zna każdy, kto w szkole podstawowej widział eksperyment z pocieraniem jantaru o wełniany materiał.

Od razu jednak pojawił się pewien problem – bursztyn jest twardy. Wystarczająco twardy, żeby jego zmielenie do skali nano wymagało użycia specjalnych młynków. Kiedy jednak udało się już to rozwiązać, pojawił się kolejny – jak dozować zmielony bursztyn do tworzywa sztucznego? Jeśli bowiem wsypie się go za wcześnie, np. na etapie uplastyczniania, to pod wpływem temperatury sam ulegnie zmiękczeniu i zamiast na włóknach osiądzie na wnętrznościach wytłaczarki.

To wymagało modyfikacji głowicy włóknotwórczej, dzięki której bursztyn jest wprowadzany bezpośrednio w strugę stopionego polimeru na etapie tworzenia włókien elementarnych. Dzięki temu naukowcy nie tylko mieli pewność, że materiał zamiast we wnętrzu głowicy osiądzie na włóknach, lecz także dawało im to kontrolę nad ilością dozowanego materiału (gdyby bursztyn zostawał w wytłaczarce, nie wiadomo byłoby, ile trafiło do włókien, a ile wynosiły straty w trakcie produkcji). Normalnie materiał, z którego wykonana jest półmaska filtrująca, na zdjęciu mikroskopowym w bardzo dużym powiększeniu wygląda jak plątanina nici. Po modyfikacji naukowców z CIOP ten sam materiał wygląda, jakby na niciach wyrosły małe kryształy.

W efekcie uzyskaliśmy materiał, który stanowi doskonałą ochronę przez nanocząsteczkami i bioaerozolami. Testy wykonaliśmy w naszym wewnętrznym laboratorium. O ile standardowa półmaska przepuszcza większość cząstek o średnicach do 150 nanometrów, o tyle po naszej modyfikacji materiał zatrzymuje je prawie wszystkie – mówi dr inż. Brochocka.

Dodatkowo materiał może zawierać środek biobójczy, który naukowcy z CIOP opracowali wspólnie z badaczami z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Środek taki składa się z perlitu o średnicy ziaren rzędu kilku mikrometrów z naniesionymi na jego powierzchnię substancjami czynnymi. – Wprowadzenie środka biobójczego w strukturę materiału umożliwia zapewnienie efektywnego zatrzymywania w warstwie filtracyjnej mikroorganizmów o wielkości co najmniej 0,3 mikrometra, przy jednoczesnym hamowaniu ich namnażania w czasie 2 godzin użytkowania oraz wydłużeniu czasu skutecznej ochrony materiału filtracyjnego, z zachowaniem klasy ochronnej wobec bioaerozoli – mówi dr inż. Katarzyna Majchrzycka.

Badania nad modyfikacją metody produkcji materiału do półmasek filtrujących zostały sfinansowane ze środków unijnych. Wymóg jest wtedy taki, aby efekty badań były komercjalizowane. A z tym, niestety, może być problem. Krajowi producenci materiałów filtracyjnych i środków ochrony indywidualnej, z którymi rozmawiali przedstawiciele CIOP, nie byli zainteresowani licencjonowaniem wynalazku. Dlatego instytut szuka takiej możliwości za granicą. – Być może źródłem tej niechęci jest fakt, że prawo obecnie nie nakłada obowiązku używania półmasek filtrujących chroniących przed nanozagrożeniami? – zastanawia się dr inż. Brochocka. Nawet jeśli prawo czegoś nie wymaga, nie znaczy to, że nie można w ten sposób budować przewagi konkurencyjnej.