Maskeler Mikroskop Altında Nasıl Görünür?

Bir şeyi yakından görmek, onun nasıl çalıştığını anlamanızı kolaylaştırabilir. Bir araştırma ekibi, insanların COVID-19'un yayılmasını yavaşlatmak için kullandığı kumaş maskeleri incelerken bu yaklaşımı benimsedi. Bu maskeler, virüslü bir kişinin soluduğu, virüsle dolu damlacıkların ve aerosol adı verilen daha küçük parçacıkların bir kısmını bloke ederek çalışır ve ayrıca gelen havayı filtreleyerek, maske takana bir miktar koruma sağlar.

Bu çalışmada araştırmacılar, farklı kumaşların bu parçacıkları ne kadar iyi filtrelediğini ve bazı kumaşları diğerlerinden daha iyi bir filtre yapan şeyin ne olduğunu tespit etmeye çalıştılar. Araştırmaları, pamuklu kumaşların sentetiklerden daha iyi performans gösterme eğiliminde olduğunu ve pamuklu flanellerin özellikle etkili olduğunu gösteriyor.^[1] Bir kişinin nefesindeki neme maruz kalan pamuklu kumaşlar daha da iyi performans gösterdi.^[2]

Ekip üyelerinden Edward Vicenzi, bu araştırmanın bir parçası olarak, kumaşları yakından incelemek için bir taramalı elektron mikroskobu kullandı. Vicenzi, müze koleksiyonundaki nesnelerin tarihini ve kökenini incelediği Smithsonian Müzesi Koruma Enstitüsü'nde çalışıyor. Aynı zamanda NIST'te de misafir araştırmacı olarak görev alıyor. Onun çektiği fotoğraflar, bilim insanlarına farklı kumaşların partikül filtreleme özellikleri hakkında önemli bilgiler veriyor. Ayrıca yüzümüzün önünde güzel, dokulu ve dokunmuş bir dünyanın var olduğunu gösteriyor.

E.P. Vicenzi

Polyester, birçok kumaş gibi, iplikler halinde bir araya getirilen ve daha sonra birlikte dokunan tek tek liflerden oluşan sentetik bir malzemedir. Bu görüntü, tek tek liflerin enine kesit şekillerini göstermektedir. Araştırmacılar, partikül filtrasyonunu etkileyen önemli bir değişken olan tek tek liflerin genişliğini ölçmek için bunun gibi fotoğrafları kullandılar.

Bu fotoğrafın sağ alt köşesindeki ölçek çubuğunun tamamı 125 mikrometre, yani bir metrenin milyonda biri genişliğindedir. Bu, ortalama bir insan saçından biraz daha geniştir.

Koronavirüsü içerebilecek aerosollerin boyutu değişiklik gösterir; ancak daha küçük olanlar bu görüntüdeki liflerin genişliğinin yüzde biri kadar olabilir ve bazıları daha da küçüktür. Kumaş maskeler bu küçük aerosollerin hepsini yakalamaz, ancak birçoğunu yakalar ve bu da hastalığın yayılmasını yavaşlatır.

E.P. Vicenzi

Bu fotoğraf, pamuklu bir flanel ve onun üst/alt örgüsünün enine kesitini göstermektedir. Araştırmacılar, tek tek liflerin genişliğini ölçmeye ek olarak, kumaşların kalınlığını ölçmek için bunun gibi fotoğrafları kullandılar. Kumaş kalınlığı, parçacıkları filtreleme yeteneklerini etkileyen bir başka önemli değişkendir.

Araştırmacılar, bu mikroskobik değişkenleri ölçmenin yanı sıra kumaşların filtreleme performansını da ölçtüler. Bu, bu değişkenlerin filtrelemeyi nasıl etkilediğini ve maskelerin mikroskobik düzeyde nasıl çalıştığını anlamalarını sağladı.

E.P. Vicenzi

Bu fotoğraf, pamuklu pazen (solda) ve polyesterin (sağda) yukarıdan aşağıya görünümlerini göstermektedir. Pamuklu flanel dokuma, düzensiz bir çapraz lif ağının altına gizlenmiştir. Bu kabarık lifler, flanel kumaşa yumuşak bir dokunuş hissi verir. Buna karşılık, bu polyesterdeki lifler çok düzenli ve tutarlıdır.

NIST araştırmacıları, kısmen liflerinin kaotik düzeni nedeniyle pamuklu pazenlerin özellikle iyi filtreler olduğunu düşünüyor. Bu, kumaştan geçen bir aerosolün bir elyafla çarpışması ve ona yapışması olasılığını artırır.

E.P. Vicenzi

Bu fotoğraf, pamuklu flaneldeki tek tek lifleri göstermektedir. Bir maskeden nefes aldığınızda, hava bu liflerin etrafında akar ve aerosoller de bu havayla birlikte içe çekilir. Aerosoller çok küçük olabilir, ancak bir miktar kütleleri vardır. Hava liflerin etrafında bükülürler ve bu bükülme sırasında aerosollerin bazıları yeterince hızlı dönemez ve liflere çarparak onlara yapışır. NIST araştırmacısı Chris Zangmeister bunu Star Wars: The Empire Strikes Back filmindeki yıldız savaşçılarının asteroit alanında hızla ilerlediği sahneye benzetiyor. Sadece daha küçük gemiler yeterince hızlı dönebilirdi. Yıldız Destroyeri ise bunu başaramadı.

Yakından bakıldığında, pamuk lifleri bükümlü ve kıvrımlıdır. Bu, bir aerosolün yapışabileceği yüzey alanı miktarını arttırır. Ayrıca pamuk lifleri hidrofiliktir, yani suyu severler. Pamuk lifleri kişinin nefesindeki az miktarda suyu emerek kumaşın içinde nemli bir ortam oluşturur. Mikroskobik parçacıklar geçerken, bu nemin bir kısmını emer ve büyür, bu da onları yakalama olasılığını artırır.^[2]

E.P. Vicenzi

Polyesterin bu yukarıdan aşağıya görünümü, liflerin nasıl güzel bir şekilde demet halinde kaldığını gösterir. Bu görüntü, spor salonunda giyebileceğiniz çabuk kuruyan tişörtlerle aynı kumaş türündendir. Bu tişörtleri oluşturan lifler hidrofobik olduğu için (yani suyu sevmedikleri için) çabuk kururlar. Pamuktan farklı olarak, polyester kumaşlar nefes verirken neme maruz kaldıklarında daha iyi filtrelemezler.

E.P. Vicenzi

Polyester elyaflar, polimer hammaddesinin bir makarna makinesinden çıkan spagetti gibi bir açıklıktan sıkıldığı ekstrüzyon adı verilen bir işlem kullanılarak üretilir. Bu, liflerin tutarlı bir enine kesit profiline ve bu durumda, pamuk liflerinden daha az yüzey alanına sahip pürüzsüz bir dış yüzeye sahip olmasına neden olur.

E.P. Vicenzi

Bazı kumaşları kategorize etmek daha zordur. Rayon, "sentetik" olarak kabul edilir, ancak bitkilerden elde edilir. Bunu oluşturmak için üreticiler, bambu gibi bitki materyallerini kimyasallarla işlerler. Bu, daha sonra yumuşak bir malzeme olarak yeniden yapılandırılan ve suni ipek liflerine ekstrüde edilen selüloz adı verilen bir bitki lifini serbest bırakır. Sonuç, hibrit bir malzemedir. Lifler, birçok doğal malzeme gibi hidrofiliktir, ancak birçok sentetik gibi tutarlı bir enine kesit şekline sahiptir. Yine de pamuklu kumaşlar suni ipekten çok daha iyi filtreleme yapar.

E.P. Vicenzi

Genel halkın kullandığı kumaş maskeler için pamuk en iyisi olsa da, tıbbi sınıf maskeler farklı bir hikayedir. Bu sahte-renkli fotoğrafta bir N95 solunum maskesi katmanının bir kesiti görülmektedir. Mor renkle gösterilen filtre malzemesidir; etrafındakiyse koruyucu malzemedir. Bu katmanlı yapı, ek koruma için kendini tekrar eder. Filtreleme malzemesi, eritilerek ve daha sonra bir tür plastik olan polipropilenin kaotik bir ağa hava üflenmesiyle yapılır. Lifler, pamuk liflerinden çok daha küçüktür ve çok daha büyük bir yüzey alanına sahiptir; bu, bunun özellikle etkili bir filtreleme malzemesi olmasının bir nedenidir.

N95 solunum cihazları, metrenin 0,3 milyonda biri büyüklüğündeki parçacıkların %95'ini filtreledikleri için "N95" adıyla anılırlar. Tıbbi sınıf maskeler için uzun süredir standartlar bulunduğundan, filtreleme performansları iyi bilinmektedir. Kumaş maskeler içinse ilk standartlar yakın zamanda yayınlanmıştır. NIST ve ve diğer kuruluşlar tarafından yapılan araştırmalar, tıbbi donanımı olmayan insanlara maskelerinin ne kadar iyi çalıştığı hakkında bilgi verecek olan bu standartların geliştirilmesine katkıda bulunmuştur.

NIST'teki bilim insanları, maske kumaşlarının filtreleme özelliklerini daha iyi anlamak için araştırmalarını sürdürmektedirler. İnsanlar COVID-19'un yayılmasını sınırlamak için kumaş maskeler takmaya devam ettikçe veya gelecekte tekrar bu tür bir ihtiyaç ortaya çıkarsa, bu küçük detaylar yardımcı olacaktır.

Optik Mikroskop Görüntüleri

Eğer taramalı elektron mikroskobundan çok daha ucuz ve kolay erişilebilir (ama bir o kadar da zayıf) bir optik mikroskop kullanacak olursanız, maskenizi daha ziyade bu şekilde görmeyi bekleyebilirsiniz:

Bu fotoğrafta, cerrahi bir maskenin 3 ayrı katmanının optik mikroskop görüntüleri görülmektedir. Bu maskelerin iç kısmı çoğu zaman beyaz, dış kısmı ise çoğu zaman mavidir (mavi kısım dışa gelecek şekilde giyilmelidir). Yüzü sarmadığı için N95 kadar yüksek koruma sağlayamaz.

Cerrahi maskeler, dokunmamış polipropilenden yapılmış üç katmandan oluşur. Dış ve iç katmanlar daha büyük açıklıklıdır. Görevleri, asıl filtre olan orta tabakayı korumaktır. Üç katman, maskelere kapitone bir his veren bir dizi kaynaşmış nokta ile bir arada tutulur.