Fibroina e nanoparticelle di rame per la filtrazione dell’aria: il sistema che riesce a catturare le polveri PM 2,5 e uccidere il 99,9% dei batteri

I filtri dell’aria ad alta efficienza possono alleviare l’affanno delle grandi città del mondo soffocate dall’inquinamento atmosferico. Molti filtri tradizionali, però, posti a difesa di sistemi di ventilazione e interi edifici, non riescono a rimuovere dall’aria le particelle PM 2,5 e di dimensioni inferiori – quelle più dannose per la salute umana. E non sono in grado neanche di eliminare germi e batteri presenti nell’aria che respiriamo, che possono avere dimensioni inferiori a 1 micrometro.

Per superare queste limitazioni, i ricercatori della Renmin University of China e della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore hanno combinato due approcci, e i risultati di due diversi studi, per sviluppare un nuovo filtro dell’aria resistente, biodegradabile e molto efficace nel filtrare il particolato ed eliminare i batteri.

Una nuova tecnologia per la filtrazione dell’aria inquinata

Pollini, metalli, inquinanti liquidi, metalli, fibre artificiali, batteri: nel particolato, uno degli inquinanti più comuni nelle aree urbane del mondo, si trova davvero di tutto. E queste piccolissime particelle, che insieme all’aria formano il cosiddetto aerosol atmosferico, possono penetrare nei nostri polmoni e causare gravi malattie.

I filtri dell’aria ad alta efficienza sono una possibile risposta al problema della qualità dell’aria nelle nostre città, e restano il metodo più efficace per la purificazione dell’aria. I filtri tradizionali, però, non sono in grado di catturare il particolato più sottile, né di debellare i batteri presenti nell’aerosol.

Per risolvere questo problema i ricercatori della Renmin University of China e della NTU di Singapore, guidati dalla Professoressa Lam Yeng Ming e dal Professor Liu Zheng, hanno sviluppato un nuovo filtro capace di rimuovere il 99,9% dei batteri e delle particelle presenti nell’aria inquinata, riuscendo a catturare anche particelle più piccole del PM 2,5. Alla base del sistema, delle nanoparticelle in grado di sfruttare il potere antibatterico del rame e di creare fibre nanometriche elettrostatiche per il filtraggio dell’aria.

Ma partiamo dall’inizio: il primo approccio, illustrato in uno studio del 2022, consiste nell’utilizzare delle nanoparticelle di rame, un elemento noto da secoli per le sue proprietà antibatteriche. Come spiegano gli scienziati, gli antichi Greci e gli Aztechi utilizzavano miscele contenenti rame per il trattamento delle ferite; alcuni studi, poi, hanno dimostrato che alcune forme di nanoparticelle di rame sono sicure per l’uso umano (e in alcuni casi addirittura benefiche per le ferite aperte). Così i ricercatori della NTU hanno pensato di utilizzare il prezioso metallo per creare filtri dell’aria capaci di uccidere germi e batteri presenti nel particolato.

Nanoparticelle di rame per uccidere i batteri

Per testare le potenzialità del rame, gli scienziati hanno studiato delle nanoparticelle di ossido rameoso dal diametro di circa 150 nanometri e delle particelle di rame metallico da 50 nanometri.

Le hanno quindi spruzzate separatamente su tessuti comunemente utilizzati per la produzione di mascherine e filtri per la purificazione dell’aria come quelli utilizzati nei sistemi di ventilazione degli ospedali e degli aerei. Le capacità battericide dei tessuti rivestiti in nanoparticelle di rame è stata testata utilizzando ceppi batterici antibioticoresistenti di Klebsiella pneumoniae e Pseudomonas aeruginosa, che possono causare rispettivamente polmonite e infezioni del sangue.

Come spiegano gli scienziati in un articolo pubblicato sul magazine NTU Pushing Frontiers,

“I tessuti rivestiti con nanoparticelle di ossido di rame hanno avuto un’efficienza media di uccisione dei batteri superiore al 93%. Per i tessuti con uno strato di nanoparticelle di rame metallico, l’efficienza è stata superiore all’84%. In tutti i casi, i batteri sono stati eliminati entro 45 secondi”.

Le nanoparticelle, proseguono Ming e Zheng, hanno prodotto radicali liberi e molecole instabili che hanno danneggiato il DNA dei batteri. I risultati dello studio suggeriscono che l’ossido rameico e le nanoparticelle di rame metallico inducono la formazione di radicali liberi che causano danni ossidativi ai batteri e li uccidono.

Un’altra possibilità è che le forze elettrostatiche tra i batteri e le nanoparticelle abbiano allungato e disgregato le membrane dei batteri, distruggendoli. Dopo sei giorni di esposizione a K. pneumoniae, in ogni caso, i tessuti rivestiti di ossido di rame hanno mantenuto la capacità di uccidere i batteri.

I nuovi filtri dell’aria a base di fibroina e nanoparticelle

Il secondo approccio per migliorare la filtrazione dell’aria prende avvio da uno studio del 2021, e prevede la miscelazione di nanoparticelle elettrostatiche con la fibroina della seta, una proteina estratta dai bozzoli dei bachi da seta. Questo promettente polimero naturale è stato già testato per i sistemi di filtrazione dell’aria, ma sono subito emerse delle limitazioni legate alle scarse proprietà meccaniche della fibra elettrofilata.

Per creare nuove fibre nanometriche destinate al filtraggio, i ricercatori hanno aggiunto alle proteine della seta delle nanoparticelle di nitrato di lantanio, che producono un effetto elettrostatico capace di attrarre e intrappolare meglio le particelle minuscole quando schiacciate o premute.

La tensione di rottura del nuovo materiale, spiegano i ricercatori, era 2,1 volte superiore a quella di un filtro fatto solo di proteine della seta:

“In termini di prestazioni, il nostro filtro ha ridotto del 92% la concentrazione di particelle PM2,5 simulate con il fumo di sigaretta. Inoltre, ha filtrato il 98% di Escherichia coli e Staphylococcus aureus, batteri che causano rispettivamente infezioni intestinali e cutanee”.

Combinando insieme le proprietà del rame e quelle della fibroina ingegnerizzata, gli scienziati hanno infine realizzato un filtro dell’aria con doppio strato di protezione: il nuovo filtro è realizzato con proteine della seta biodegradabili e nanoparticelle di nitrato di lantanio che attirano ed eliminano le particelle inquinanti ed è rivestito con nanoparticelle di ossido di rame capaci di uccidere i batteri.

Il filtro dell’aria, spiegano i ricercatori, “ha rimosso il 99,9% dei batteri e delle particelle di diverse dimensioni presenti nell’aria inquinata, da 0,3 micrometri – più piccole del PM2,5 – a 10 micrometri. Il filtro ha anche ucciso il 99,9% dei batteri multiresistenti in 45 secondi”.

Ecco tre approfondimenti che potrebbero interessarti:

Come pulire l’aria soffocante di Nuova Delhi: lo studio
Da dove viene lo smog che inquina l’aria di Pechino?
Acqua e fibroina per microchip e nanodispositivi più sostenibili