การปรับปรุงพื้นผิววัสดุบนหน้ากากอนามัยสำหรับลดความเสี่ยงต่อการติดเชื้อโควิด-19

   

            ใน ณ ปัจจุบันนี้ ไวรัสมรณะ หรือ ไวรัสโควิด-19 ได้แพร่ระบาดไปในวงกว้างไปแล้วทั่วโลก ใน ขณะนี้ ตั้งแต่ปลายปีที่แล้ว เดือนธันวาคมที่เจ้าไวรัสโคโรน่านั่น ได้อุบัติขึ้นที่ตลาดค้าสัตว์ ณ มณฑลอู่ฮั่น ประเทศจีน จนกระทั่งไวรัสนี้แพร่ระบาดและกระจายเป็นวงกว้างไปทั่วโลก รวมถึงประเทศไทยด้วย ซึ่งเจ้าไวรัสโคโรน่านี้ จะมีการแพร่กระจายเชื้อผ่านมากมายหลายช่องทางด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็นจากอุจจาระ และ สารคัดหลั่งดั่งเช่น ไอ จาม ซึ่งเมื่อมีคนนั้น ไอ หรือ จาม จะเกิดละอองฝอย เป็นอนุภาคเล็กๆหรือ Droplets นั้นลอยอยู่ในอากาศไปได้ในระยะไกลมากๆ ซึ่งเมื่อละอองฝอยพวกนี้ ลอยเข้าไปในโพรงจมูกของเรา จะทำให้เชื้อไวรัสนี้ไปทำการฝังตัวอยู่ที่ขั้วปอด และ ทำให้เกิดการติดเชื้อภายในได้  จนกระทั่งหลายประเทศทั่วโลก ได้ทำการรณรงค์ไม่ว่าจะเป็น รักษาระยะห่างทางสังคม หรือ social distancing ประมาณ 1-2เมตร เพราะ เจ้าไวรัสโคโรน่านี้ มีการแพร่กระจายเชื้อที่มีพิสัยในระยะไกลมากๆ รวมทั้ง สวมหน้ากากอนามัยทุกครั้ง เมื่ออยู่ในที่มีคนพลุกพล่านมากๆ แต่เราเคยคิดสงสัยกันไหมว่า หน้ากากที่เราใส่นั้นสามารถป้องกันละอองฝอยพวกนี้ได้ดีขนาดไหน


          จนกระทั่งมีนักวิจัยในประเทศอินเดีย ศาสตราจารย์ Rajneesh Bhardwaj และ Amit Agrawal ได้ทำการศึกษาคุณสมบัติการเปียกของพื้นผิวว่า ต้องใช้ระยะเวลาเท่าไหร่เพื่อให้ละอองฝอยที่ติดบนพื้นผิวหน้ากากนั้นแห้งลง เพื่อลดความเสี่ยงของการติดเชื้อไวรัสโคโรน่า อีกทั้งศาสตราจารย์ Bhardwaj ยังกล่าวถึงจุดประสงค์ที่ศึกษางานวิจัยชิ้นนี้ว่า ต้องการศึกษาความไวต่อการแห้งของวัสดุพื้นผิวต่างๆที่นำมาทำหน้ากากอนามัยเมื่อต้องเจอกับปริมาณละอองฝอย เพื่อช่วยในการออกแบบและนำวัสดุไปปรับใช้กับหน้ากากอนามัย และ เครื่องมืออุปกรณ์ความปลอดภัย(PPE) โดยอ้างอิงจากเวลาในการแห้งของวัสดุ


          ในงานวิจัยชิ้นนี้ผู้วิจัยจะทำการศึกษาถึงเวลาในการแห้งของละอองฝอยโดยที่มีมุมสัมผัส(Contact angle)ที่มีความแตกต่างกัน โดยที่คาดหวังว่าการทดลองในงานวิจัยชิ้นนี้นจะช่วยให้พื้นผิววัสดุนั้นได้รับการป้องกันจากไวรัสโคโรน่าและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นโดยการใช้ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ฟิสิกส์มาช่วยในการอธิบายถึงหลักการดั่งกล่าว พอทุกท่านได้เดินทางกันมาถึงตรงนี้แล้ว อาจจะนึกภาพไม่ออกที่ว่า มุมสัมผัส หรือภาษาอังกฤษ เรียกว่า contact angle นั้น คืออะไรมีหน้าตาเป็นอย่างไร เราจะมาขยายคำจัดกัดความ คำว่า มุมสัมผัส(contact angle) กัน


          มุมสัมผัส(contact angle) เราเคยสังเกตกันไหมว่า เวลาเรานั่งรถนั้นในขณะที่ฝนตก จะเกิดหยดน้ำคล้ายลักาณะเป็นกระเปราะ เกาะอยู่บนผิวกระจกรถยนต์โดยที่น้ำนั้นไม่เปียก เราจะเรียกคำจำกัดความนี้ว่า ภาวการณ์เปียก หรือ wetting โดยที่จะมีแรงสองแรงหลักๆที่เกิดขึ้นกับหลักการนี้ คือ


          1.แรงเชื่อมแน่น หรือ cohesive force คือ แรงยึดเหนี่ยวของสารชนิดเดียวกัน เช่น น้ำ แอลกฮอลล์ น้ำส้มสายชูเป็นต้น โดยที่แรงเชื่อมแน่นนี้จะพยายามทำให้โมเลกุลของของเหลวนั้นสามารถเกาะกลุ่มกันเองเป็นหยด คล้ายกับทรงกลม


          2.แรงยึดติด หรือ adhesive force คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างสารต่างชนิดกัน ดั่งเช่น น้ำหยดลงบนใบบัว น้ำยาล้างจานที่หกลงบนพื้น เป็นต้น ซึ่งแรงเชื่อมแน่นนี้จะพยายามทำให้หยดของของเหลวนั้น แตกแยกออกจากกัน และกระจายไปบนระนาบพื้นผิวของวัสดุแทน


          ซึ่งมุมสัมผัสนั้น ก็คือ การที่แรงตึงผิว(γ )ระหว่างสาร3สถานะ ของแข็ง ของเหลว และ อากาศ กระทำระหว่างกันจนเกิดเป็นมุมที่เรียกว่า มุมผิวสัมผัส(Contact angle) ดังปรากฏในภาพที่2           จากการทดลอง ศาสตราจารย์ Bhardwaj ยังได้อธิบายถึงผลลัพธ์จากการทดลองนี้มีใจความดั่งว่า ในการคำนวนระยะเวลาในการแห้งนั้นเป็นส่วนหนึ่งของมุมผิวสัมผัสที่แสดงให้เห็นถึง เมื่อหยดของละอองฝอยนั้นสามารถแห้งได้อย่างรวดเร็วเมื่อทำการทดลองถึง4ครั้งบนวัสดุที่ชอบน้ำ(Superhydrophilic surfaces) นั่นแสดงให้เห็นว่า เกิดแรงดึงดูดของน้ำนั้นส่งผลทำให้เกิดการขับออกของน้ำที่ติดค้างอยู่บนวัสดุได้อย่างรวดเร็ว งานวิจัยเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นเพิ่มเติมอีกว่า สามารถปรับปรุงภาวะการณ์เปียกของพื้นผิวและเวลาในการแห้งของวัสดุได้ ซึ่งจะเป็นโอกาสในการลดการติดเชื้อลงนั่นเอง ต่อมา ศาสตราจารย์ Agrawal เพื่อนร่วมวิจัยของ ศาสตราจารย์ Bhardwaj ได้ให้ความเห็นไว้ว่า ในการทำตัววัสดุให้เกิดการชอบน้ำ หรือ หยดน้ำนั้นไม่สามารถเกาะหรือยึดติดบนพื้นผิวได้ สามารถช่วยลดระยะเวลาหยืดหยุ่นในการแห้งของวัสดุที่นำมาทดสอบได้ และ สามารถนำไปปรับใช้กับหน้ากาอนามัย รวมถึง เครื่องมืออุปกรณ์ความปลอดภัยที่มีการสัมผัสบนพื้นผิววัสดุบ่อยๆที่ซึ่งจะเกิดการกระจายและแพร่เชื้อเกิดนั้นเอง ในบริเวณรอบโรงพยาบาบล ซึ่งในส่วนกรณีของหน้ากากป้องกันละอองฝอยได้ดีสุด ดั่งเช่น N95 หน้ากากสำหรับการผ่าตัด หรือ face shields และ ชุดป้องกัน(PPE suite)


          ศาสตราจารย์ Agrawal ได้ให้คำแนะนำเพิ่มเติมอีกว่า เราควรที่จะลดมุมผิวสัมผัสลงบนผิวสัมผัส และ ความถี่ในการสัมผัสกับตัวหน้ากากอนามัย อีกทั้งยังมีเรื่องที่น่าตื่นเต้นอีก เมื่อระยเวลาความแห้งสูงสุดสามารถเกิดมุมผิวสัมผัสที่มีค่า 148องศา ในทางตรงกันข้าม ศาสตราจารย์ Agrawal ยังบอกเป็นนัยๆเรื่องการเกิดมุมผิวสัมผัสที่มีค่า 148องศา นั้นว่า การเกิดวัสดุที่ไม่ชอบน้ำนั้น(Superhydrophobic surfaces) จะต้องทำให้เกิดการไม่ชอบน้ำบนพื้นผิววัสดุนั้นให้มีค่ามุมมากยิ่งขึ้น ก็จะสามารถช่วยลดระยะเวลาในการแห้งได้เหมือนกัน ซึ่งอาจจะขัดกับความรู้สึกในเบื้องต้นที่ว่า วัสดุยิ่งเกิดการชอบน้ำมากเท่าไหร่ จะทำให้เกิดการลดมุมสัมผัส และ เวลาในการทำให้ตัววัสดุนั้นแห่งนั้นเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งในอนาคตข้างหน้าเราอาจจะเห็นการปรับปรุงและพัฒนาวัสดุใหม่ๆสำหรับทำหน้ากากอนามัย ที่มีคุณสมบัติที่แห้งไวมากยิ่งขึ้น เพื่อลดอัตราการติดเชื้อลง ก่อนที่เราจะจากกันไป ขอเพิ่มเติมเนื้อหาทิ้งท้ายไว้สักนิดที่ว่า การไม่ชอบน้ำ(Superhydrophilic) การชอบน้ำ (Superhydrophobic) นั้นคืออะไร มาเราจะมาขยายความเพิ่มกันอีกรอบนึง การไม่ชอบน้ำ(Superhydrophilic)นั้น จะเกิดลักษณะนี้ต่อเมื่อ แรงยึดติด หรือ adhesive force ระหว่าง หยดน้ำกับวัสดุนั้นเกิดแรงกระทำที่มากกว่า แรงเชื่อมแน่น หรือ cohesive force ทำให้ลักษณะหยดน้ำนั้นจะมีการแผ่กระจายไปบนผิวของวัสดุเกิดมุมผิวสัมผัสที่แคบและน้อยลง แต่ในทางตรงกันข้าม การชอบน้ำ(Superhydrophobic) นั้น จะเกิดลักษณะนี้เมื่อโมเลกุลของน้ำนั้นเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันที่แข็งแกร่งมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างวัสดุ ทำให้ลักษณะของหยดน้ำนั้นจับกันเป็นก้อนทรงกลม ทำให้เกิดมุมผิวสัมผัสระหว่างหยดน้ำกับวัสดุนั้นมากยิ่งขึ้น ดั่งแสดงให้เห็นในรูปที่4           ในท้ายที่สุดแล้ว งานวิจัยชิ้นนี้จะช่วยให้เกิดความเข้าใจในการเอาตัวรอดจากโคโรน่าไวรัส ภายใต้ความแห้งของหยดน้ำ ที่ซึ่งจะช่วยให้ความคาดการณ์ในการเอาตัวรอดในแบบต่างได้อีกด้วย ไม่ว่าจะเป็นโรคที่แพร่กระจายได้ด้วยการหายใจเอาละอองออกมา ดั่งเช่น ไข้หวัด ต่างๆเป็นต้น ต่อไป

 

ที่มา 

• https://phys.org/news/2020-08-masks-ppe-hydrophilic-surfaces-infection.html
• https://phys.org/news/2020-06-survival-coronavirus-cities-surfaces.html
• https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl051435t">https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl051435t">https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl051435t