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Gesichtsmasken aus Nanofasern verbessern die Filtrationsleistung, müssen aber häufiger ausgetauscht werden

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Seit seinem Ausbruch hat das COVID-19-Virus nach Angaben des Coronavirus-Dashboards der Weltgesundheitsorganisation (Stand: 17. August) weltweit mehr als 207,7 Millionen Menschen infiziert und mehr als 4,3 Millionen Menschenleben gefordert. Viele Mediziner schreiben jedoch den Gesichtsmasken eine entscheidende Rolle bei der Eindämmung der Ausbreitung des Virus und dem Schutz der menschlichen Gesundheit zu.

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Innovationen zur Verbesserung der Wirksamkeit von Masken, wobei der Schwerpunkt zunehmend auf der Herstellung von Nanofasern liegt, haben zu einer höheren Filtrationseffizienz, einem höheren Tragekomfort und einer besseren Atemkapazität geführt. Die Auswirkungen von Mikrowassertröpfchen auf die Integrität von Nanofasern sind jedoch relativ unklar.

In der Publikation Physics of Fluids von AIP Publishing untersuchen Forscher der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, diese Unklarheiten anhand einer Visualisierung der Wechselwirkung von Nanofasern mit Wasseraerosolen.

"Als COVID-19 aufkam, waren Gesichtsmasken überall Mangelware, und die Leute ließen sich alles Mögliche einfallen, um gebrauchte Gesichtsmasken zu 'verjüngen'. Es war wie ein Wettbewerb der Köche, bei dem gekocht, gedämpft, gegrillt und sogar geräuchert wurde", so Mitautor Boyang Yu. "Unsere Intuition sagte uns, dass das nicht richtig sein kann. Wir müssen der Sache auf den Grund gehen und herausfinden, was genau mit den Nanofasern passiert ist."

Yu und seine Kollegen nutzten mikroskopische Hochgeschwindigkeitsvideos, um die Entwicklung von Nanofasern aus Polymeren mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln, Durchmessern und Maschengrößen unter Einwirkung von Wasseraerosolen systematisch zu visualisieren.

"Das Filmen von Nanofasern ist wie die Aufnahme von Porträts von Babys", sagt Yu. "Sie bleiben nicht gerne für die Kamera an ihrem Platz. Das liegt daran, dass Nanofasern sehr weich und zerbrechlich sind, besonders wenn das Aerosol durch sie hindurchbläst. Aber mit genügend Sorgfalt, Geduld und Glück haben wir schließlich schöne Aufnahmen für unsere Analyse gemacht."

Die Bilder zeigen, dass die Nanofasern während der "Tröpfchenauffangphase" und der anschließenden Flüssigkeitsverdampfungsphase irreversibel zusammenwachsen, was die effektive Faserlänge für das Auffangen von Aerosolen deutlich verringert. Sie zeigen, dass hydrophobe und orthogonal gewebte Fasern die Kapillarkräfte reduzieren und die Koaleszenzrate der Fasern verringern können.

"Wir haben drei Dinge bestätigt", sagt Co-Autor Weiwei Deng. "Erstens: Nanofasern sind hervorragend in der Lage, Tröpfchen in Aerosolen einzufangen. Zweitens sind die Nanofasern nach dem Einfangen des Aerosols aneinander gebunden. Und drittens ist diese Bindung fest und irreversibel, selbst nachdem die eingefangenen Tröpfchen verdampft sind

"Benetzte Fasern neigen dazu, sich aneinander zu binden, so wie nasse Haare dazu neigen, sich zu bündeln. Das liegt an der Kapillarkraft, die mit abnehmender Größe dominant wird und bei Nanofasern extrem stark ist. Der Winter steht vor der Tür", sagt Deng. "Wenn es draußen kalt ist, enthält der Atem mehr Tröpfchen, die das Netz der Nanofasern schneller zusammenfallen lassen können