Оно нам нано: очистители воздуха смогут обезвредить COVID-19
Ученые Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий разработали наномембрану, которая обладает способностью за секунду убивать коронавирус, а также другие вирусы, опасные для жизни и здоровья человека, рассказали «Известиям» в Сколтехе. Ее планируют использовать в фильтрах воздухоочистителей. Аналогов разработке в мире нет, а применять ее можно в больницах, самолетах, электронных производствах, общественном транспорте — везде, где есть большое скопление людей. В МИФИ считают разработку перспективной и не исключают, что в будущем ее можно будет интегрировать в обычный комнатный кондиционер.
Прозрачная и сильная
Обычно воздух сначала чистят, а затем обеззараживают. Для первой процедуры подойдут и обычные фильтры, в то время как для второй нужны специальные агрегаты обработки ультрафиолета, пояснил один из авторов ноу-хау, специалист в области синтеза, исследования механизмов роста и применения наноматериалов, профессор Сколтеха Альберт Насибулин.
Такие обычно используются в больницах, поликлиниках и других общественных учреждениях, при этом сами аппараты достаточно громоздки и состоят из многих элементов.
Наномембрана, которую придумали российские физики, в тысячи раз тоньше человеческого волоса, полупрозрачна и практически невидима невооруженным глазом. Ее главное преимущество — в универсальности и способности совмещать в себе два процесса: очистку и обеззараживание. По сути, это два аппарата в одном, уточнили разработчики.
За счет способности проводить через себя электрический ток мембрана может нагреваться до 300–400 градусов по Цельсию на открытом воздухе. Это граница применения материала, но COVID-19 не настолько живуч. Чтобы обезвредить его, достаточно и 100–120 градусов.
В способности проводить ток и нагреваться заключается основное отличие наномембраны от ультрафиолета, сказал Альберт Насибулин.
— Большинство вирусов при температуре порядка 50 градусов погибают в течение часа, при 70 — живут меньше минуты. Нагрев мембраны до 100–150 градусов мгновенно убьет и вирусы, и микроорганизмы. В мире до сих пор не было материалов, которые одновременно фильтровали бы воздух и разогревались. Поэтому у нашего изобретения пока нет аналогов, — рассказал ученый.
Модуль в перспективе планируется внедрять в очиститель воздуха и применять в больницах, самолетах, электронных производствах, общественном транспорте — везде, где есть большое скопление людей, добавил он.
При этом очистка и обеззараживание — это еще не всё, что умеет наномембрана. Ее можно использовать для мониторинга воздуха в качестве газового сенсора, объяснил второй разработчик, старший научный сотрудник Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института Дмитрий Красников.
— Мембрана не только убивает патогенные частицы, но и анализирует окружающую среду. То есть это умная многофункциональная система, которая делает много полезных дел одновременно. Она может понимать, какие вирусы и канцерогены летают вокруг, фильтровать их, сжигать, еще и музыку играть при желании, — сказал ученый.
Музыка сфер
Музыкальные способности наномембраны — не шутка: при фильтровании ученые используют так называемый термоакустический эффект. За счет резкого нагрева и охлаждения образуется акустическая волна на 100 килогерц, которую можно использовать в ультразвуке, эхолокации или дефектоскопии.
— У любого фильтра есть два параметра: степень улавливания частиц и перепад давления. И есть формула, по которой можно эффективность этих двух параметров просчитать. Согласно этой формуле, наши фильтры на порядок выше по добротности, чем обычные коммерческие фильтры. У них очень мелкая микропористая структура, и любая частица, которая попадает на поверхность, тут же улавливается. Устройство работает импульсно — за микросекунды разогревается до 100 градусов и тут же охлаждается до комнатной температуры, и это происходит локально: саму комнату вы не нагреете, — рассказал ученый.
Профессор МИФИ Валерий Загайнов, как и ученые Сколтеха, исследует эффективность фильтрации и считает, что группа его коллег достигла прогресса в этом направлении. С его точки зрения, он заключается в принципиальном отличии мембраны от ультрафиолета. Последний тоже «умеет» убивать вирус, но есть нюанс — он образует озон, который является токсичным для человека, рассказал «Известиям» доктор физико-математических наук.
— Наномембрана в отличие от ультрафиолета не производит ионизацию, не приводит к побочным эффектам, которые совсем нежелательны, особенно в лечебных учреждениях, — считает Валерий Загайнов.
Нагрузки на воздух при таком виде обеззараживания нет — он остается того же самого качества, которое было до воздействия. Дышать таким воздухом легче и полезнее для здоровья, — отметил он.
Предложить аналоги разработке сколковских ученых можно, но этот — наиболее эффективный и максимально дешевый способ очистки и обеззараживания воздуха, считает профессор МИФИ.
— Принципы работы очистителей воздуха могут быть разные, один из них — фильтрация с помощью очень тонких волокон. Второй — так называемая принудительная очистка. Себестоимость применения этих методов различна. Мембрана может работать и по механизму диффузии для самых мелких частиц, и по механизму зацепления для более крупных. То есть задействованы оба механизма и выводятся все частицы, как самые мелкие, так и крупные из потока. Путем нагрева их можно обеззараживать. Это не затратный способ создания фильтрующего материала, если его поставить на промышленный поток, — пояснил ученый.
Наномембрана способна улавливать даже очень мелкие (нано) частицы. Например, размеры вируса COVID-19 составляют порядка 80 нанометров. Они безбарьерно проходят почти через все фильтры, но наномембрана способна с ними справиться. Такой материал хорош также тем, что в перспективе его можно вставить в обычный кондиционер.
«Чистое» ноу-хау
Основной плюс нового материала заключается в том, что через него можно проводить электрический ток, рассказал «Известиям» директор по развитию группы компаний «Тион» Дмитрий Трубицын. В вакууме фильтрующий материал может нагреваться до 1000 градусов, при естественных условиях — до 250–300.
— Это позволяет уничтожать микроорганизмы на поверхности такого материала, что будет актуально для медицинских организаций, в воздухе которых могут присутствовать резистентные микроорганизмы. Например, в туберкулезном диспансере или лаборатории, которые работают с особо патогенными формами микроорганизмов, — отметил Дмитрий Трубицын.
В конце июня разработчики ноу-хау посетили производство «Тиона», которое выпускает бризеры, оборудование для очистки и обеззараживания воздуха. Инженеры-разработчики и исследователи обсудили возможность применения нового фильтрующего материала в быту и промышленности, объяснил эксперт.
В перспективе с помощью нового материала можно создать самоочищающийся фильтр, который будет не только механически фильтровать частицы с микроорганизмами, но и лишать их жизни за счет нагрева. Технология поможет убивать на поверхности фильтра даже стойкие микроорганизмы.
— Вообще в индустрии, связанной с очисткой, обеззараживанием и инактивацией воздуха, есть много нерешенных задач. Поэтому появление новых технологий всегда перспективно, — резюмировал Дмитрий Трубицын.
В кондиционируемых помещениях, например в самолетах, инфекция может распространяться даже быстрее, чем в обычных, где кондиционер не работает. Поэтому такой фильтр мог бы очень пригодиться, считает вирусолог, профессор Анатолий Альтштейн.
— Я думаю, такое изобретение было бы хорошо использовать в больничных палатах, где может быть много частиц вируса, а также в операционных, — отметил он.
В его способности определять, какие в воздухе имеются вирусы, ученый сомневается, поскольку не знает, существует ли настолько чувствительный метод. Но иметь возможность узнать, что в этом конкретном помещении точно был, например, коронавирус, было бы очень важно. Тогда можно принять существенные меры и более прицельно обеззаразить помещение, добавил он.
