Wissenschaftler bekämpfen mit Kupfer-Nanodrähten die Ausbreitung von Krankheiten
Ein altes Metall, das wegen seiner mikrobiellen Eigenschaften genutzt wird, bildet die Grundlage für eine materialbasierte Lösung zur Desinfektion. Ein Team von Wissenschaftlern des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der University at Buffalo hat ein antimikrobielles Spray entwickelt, das eine Schicht aus Kupfernanodrähten auf berührungsintensive Oberflächen in öffentlichen Räumen aufbringt. Das Spray enthält Kupfer-Nanodrähte (CuNWs) oder Kupfer-Zink-Nanodrähte (CuZnNWs) und kann eine antimikrobielle Beschichtung auf einer Vielzahl von Oberflächen bilden. Auslöser für diese Forschung war die COVID-19-Pandemie, aber die Ergebnisse haben weitreichende Anwendungen.
Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des CuNW-Netzwerks auf einer mit Kupfer besprühten Oberfläche. Rechts: Nahaufnahme eines CuNW-Nanodrahtes mit einem Durchmesser von etwa 60 nm, etwa 100-mal kleiner als ein menschliches Haar.
U.S. Department of Energy Ames National Laboratory
Die Menschen nutzen die antimikrobiellen Eigenschaften von Kupfer bereits seit 2400 v. Chr. zur Behandlung und Vorbeugung von Infektionen und Krankheiten. Es hat sich als wirksam erwiesen, um Viren, Bakterien, Pilze und Hefen zu inaktivieren, wenn sie direkt mit dem Metall in Berührung kommen. Laut Jun Cui, Wissenschaftler am Ames Lab und einer der leitenden Forscher des Projekts, "kann das Kupferion die Membran eines Virus durchdringen und sich dann in die RNA-Kette einfügen, wodurch das Virus vollständig daran gehindert wird, sich zu duplizieren".
Mitten in der Pandemie fragte das DOE die Forscher: "Was können Sie tun, um die COVID-Situation zu entschärfen?" sagte Cui. Das Ames Lab ist für seine Arbeit in der Materialwissenschaft bekannt, ein Gebiet, das sich nicht oft mit der Erforschung von Krankheiten überschneidet. Cuis Team kam jedoch auf die Idee, die antimikrobiellen Eigenschaften von Kupfer zu nutzen, um die Ausbreitung von COVID zu verringern.
Cui erklärt, dass die Idee von einem anderen Projekt herrührt, an dem sie arbeiten. Dabei handelt es sich um eine Kupfertinte, die für den Druck von Kupfernanodrähten für flexible elektronische Geräte entwickelt wurde. "Der Gedanke war: Das ist eine Tinte, die ich mit Wasser oder sogar Ethanol verdünnen und dann einfach aufsprühen kann. Ich sprühe sie einmal auf eine beliebige Oberfläche und überziehe sie mit einer sehr dünnen Schicht aus Kupfernanodrähten", sagte er.
Zunächst muss die Oberfläche gereinigt und desinfiziert werden, dann kann die neu formulierte Kupfertintenlösung aufgetragen werden. Die ideale Beschichtung sollte so dünn sein, dass sie transparent ist. Die Tinte kann mit Wasser oder Alkohol verdünnt werden, um sie sprühfähig zu machen, und sie funktioniert auf Kunststoff-, Glas- und Edelstahloberflächen.
Das Team testete zwei Arten von Kupfertinte, CuNW und CuZnNW. Im Vergleich zu einer einfachen Kupferscheibe waren beide Tinten bei der Deaktivierung des Virus genauso wirksam. Allerdings dauerte es bei der Kupferscheibe 40 Minuten, bis das Virus ausgeschaltet war, während die Kupfertinte nur 20 Minuten benötigte. Die Nanodrähte wirkten schneller, weil sie eine größere Oberfläche hatten.
Bei einem Vergleich zwischen den beiden Tintenbeschichtungen inaktivierte CuNW das Virus in den ersten 10 Minuten schneller als CuZnNW. CuZnNW setzte jedoch im Vergleich zu CuNW gleichmäßiger und nachhaltiger Kupferionen frei, so dass die Beschichtung über einen längeren Zeitraum hinweg wirksam ist. Letztendlich kam das Team zu dem Schluss, dass CuZnNW die beste Option für eine sprühbare Kupfer-Nanodraht-Beschichtung für antimikrobielle Zwecke ist.
Cui sagte, dass diese Arbeit nicht nur wegen der Pandemie wichtig sei, sondern da diese Nanodrähte gegen viele verschiedene Mikroben schützen können, "besteht die Chance, dass wir einen nachhaltigen Einfluss auf die menschliche Gesellschaft haben können".
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