Группа петербургских ученых, в которую входят специалисты Университета ИТМО, представили новый прозрачный материал, который можно нанести на экран смартфона или планшета. Он сможет самоочищаться и убивать болезнетворные бактерии на своей поверхности. Также субстанция может быть использована в медицинских целях.

Результат исследования и методология получения представлены в журнале Materials Today Communications.

Экран смартфона для многих из нас становится первой вещью, с которой мы контактируем, проснувшись. Мы держим в руках гаджет за едой, в транспорте, на пробежке, иногда даже в туалете. Мы берем его чистыми руками, грязными, жирными, потными — естественно, что на тачскрине скапливается огромное число бактерий, которые могут попасть на лицо, стоит нам поднести трубку к уху.

Вот уже несколько лет различные компании (Apple, Samsung и др.) работают над тем, чтобы «обучить» экран смартфона бороться с микробами. За это время были предложены добавления антибактерицидных компонент в саму структуру защитного стекла, а также нанесение специальных полимерных пленок с антисептическим эффектом.

«Введение антибактерицидных компонентов в состав стекла – процесс довольно дорогой и сложный. Кроме того, встает вопрос эффективности – бактерицидные компоненты должны работать на поверхности, а не в объеме самого стекла, — рассказывает соавтор статьи, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник НИЦ оптического материаловедения Университета ИТМО Сергей Евстропьев. — Антибактерицидные пленки на основе полимеров много дешевле, но их легко поцарапать, они стираются со временем, деградируют на свету и химически не стойки, в результате их эффективность со временем эксплуатации быстро падает».

Сергей Евстропьев

Олово и цинк

Научно-исследовательский центр оптического материаловедения Университета ИТМО вот уже несколько лет ведет разработки антибактерицидных материалов на основе оксидов легких металлов. В только что выпущенной статье ученые представили прозрачную структуру на основе этого материала.

«Первые покрытия были сделаны нами на основе оксидов цинка и олова, а также с добавками оксидов церия и иттрия. Мы показали, как можно оптимизировать химический состав покрытия, чтобы оно было прозрачным в видимом спектральном диапазоне, имело максимально высокие антибактерицидные свойства и высокую адгезию – сцепление со стеклом-подложкой», — продолжает Евстропьев.

Одним из главных достоинств материала покрытия, наравне с высокими антибактерицидными свойствами, является сравнительная дешевизна и простота его получения.

Структура нанокристаллов антибактериального материала и поверхности экрана (фотография с электронного микроскопа)

«Я могу сделать его, условно говоря, в сарайчике на даче, с помощью ведра и недорогих химических реактивов. Секрет заключается в специальных органических добавках, которые вводятся на стадии синтеза. Благодаря ним достигается равномерное нанесение покрытия на поверхность. При термообработке, являющейся частью технологического процесса нанесения, эти органические компоненты испаряются, при этом не выделяя токсичных веществ», — добавляет Евстропьев.

Самоочищающийся телефон

Как утверждают ученые, технология производства и нанесения таких поверхностей на защитные стекла телефонов или планшетов сравнительно проста в освоении и может быть легко внедрена в компаниях среднего бизнеса. Главное, что придется установить – конвейерная печь, которая сможет обеспечить нагрев до 550 градусов.

Толщина покрытия всего 200 – 300 нанометров. Антибактерицидное действие обеспечивается за счет диффузии ионов металлов, содержащихся в покрытии, внутрь бактерий. Таким образом болезнетворные микроорганизмы разрушаются.

Антибактериальный эффект материала

«Есть традиционный метод, утвержденный Минздравом, показывающий эффективность антибактерицидных свойств, — объясняет Евстропьев. — В чашке Петри делается что-то типа бульона, туда высеиваются бактерии. Если туда опустить простое стекло или любой другой не антибактерицидный материал, то ничего с микроорганизмами не случится. Бактерии будут “уживаться” с таким стеклом и размножаться. Если положить в такой бульон с бактериями стекло с нашим покрытием, то вокруг него будет создаваться зона, свободная от бактерий. Во время другого теста мы измеряли эффективность бактерицидного эффекта при дневном свете и в темноте – разница примерно в два раза. То есть в светлое время обеззараживание идет эффективнее, но ночью оно все равно продолжается! Это важно, потому что иначе вы пришли домой, выключили свет, легли спать, а микробы в это время на смартфоне плодятся. Эти эксперименты мы проводили совместно с Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академией».

Помимо антибактерицидного свойства, данное покрытие обладает высокой прочностью, хорошей адгезией и может служить дополнительной защитой телефона от царапин и трещин. Кроме того, покрытие может самоочищаться за счет того, что при воздействии на него света оно выделяет химически активный кислород. Он разлагает органические соединения на своей поверхности – бактерии, следы пота, жирные контуры пальцев.

Другие применения

Именно выделение химически активного кислорода делает разработанный материал перспективным с точки зрения медицины.

«У нас начались совместные разработки с Государственным оптическим институтом по модификации медицинских волоконных эндоскопов и использованию фотонокристаллических волокон в медицинских целях, — рассказывает соавтор статьи, доктор физико-математических наук, профессор Университета ИТМО, замдекана факультета фотоники и оптоинформатики, директор научно-исследовательского центра оптического материаловедения Николай Никоноров. — В медицине довольно широко используются волоконно-оптические эндоскопы, которые вводятся в тело больного, чтобы посмотреть состояние внутренних органов. Мы экспериментируем с нанесением на конец эндоскопа нашего покрытия, генерирующего синглетный кислород под действием мягкого УФ излучения, а также с введением нашего антибактерицидного материала в фотоннокристаллические волокна – благодаря этому мы потенциально можем доставлять через волоконный эндоскоп химически активный кислород к раковым клеткам, находящимся во внутренних органах человека, и с помощью него их убивать. То есть если раньше у нас был только бинокль или, если хотите, гибкий волоконный прицел, то теперь мы совместили его с винтовкой. Нужно только переключить светодиод, излучающий белый свет, на УФ-светодиод».

Николай Никоноров

Также ученые предлагают различные методики использования своего материала в виде порошка. Его можно добавлять в краску, которой красят стены в детских учреждениях или в больницах. Таким образом поверхность будет сама себя обеззараживать. Также прорабатывается вопрос замены традиционной цинковой мази на новый материал, который будет ненамного дороже, но при этом более эффективен. Наконец, новый материал можно будет использовать в бытовых и медицинских системах воздухоочистки.

Статья Evstropiev, S.K., Karavaeva, A.V., Petrova, M.A., Nikonorov, N.V., Vasilyev, V.N., Lesnykh, L.L., Dukelskii, K.V. «Antibacterial effect of nanostructured ZnO-SnO2 coatings: The role of microstructure», Materials Today Communications, 2019.