ESPECIALES

En esta entrada veremos la física que hay detrás de las mascarillas, sobre todo de las maravillosas propiedades eléctricas o el movimiento browniano.

A raíz de la pandemia que estamos padeciendo, todos nos estamos familiarizando con las mascarillas y sus distintos tipos. Algo que antes usaban solamente sanitarios, alérgicos y trabajadores en ambientes polvorientos.

Primero repasemos qué tipos de mascarillas hay en el mercado. Sabemos que hay mascarillas quirúrgicas que son cómodas, eficientes a la hora de proteger a los demás, pero poco efectivas a la hora de proteger al portador. También están las FFP1 que son básicamente mascarillas antipolvo y que filtran un 78% de las partículas que le llegan. Las FFP2 filtran el 92% de las partículas que les llegan y que sirven para evitar contagiarse de la gripe, SARS, coronavirus, COVID, tuberculosis, etc., además de todo lo que filtra el anterior tipo. Finalmente las FFP3 filtran hasta un 98% y filtran todo lo que filtran las anteriores. Estas mascarillas se ajustan a las normativas europeas EN 143 y EN 149.

A medio camino entre la FFP2 y FFP3 está la mascarilla N95, que no se ajustan a la normativa europea, sino que está certificada por el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) de los EEUU. Tiene una capacidad de filtrado del 95%. La NK95 se ajusta a la normativa china y es similar a la anterior.

Como se puede observar, los números están muy lejos de la afirmación: «las mascarillas no sirven para nada». Además, cualquiera de ellas es fundamental para no contagiar a los demás si nosotros lo estamos.

Lo que la mayoría de la gente quizás no sepa es la cantidad de Física interesante que hay detrás de este tipo de mascarillas, como, por ejemplo, en la N95.

La idea más ingenua que podemos tener sobre cómo funciona una mascarilla N95 es que se trata de un cedazo, una criba o un tamiz lo suficientemente tupido como para que pasen las moléculas de aire, pero que no pasen el 95% de las partículas. Estos objetos que serían más grandes que los agujeros de la criba y por eso no pasarían. Pero si así fuera serían aún más caras de lo que ya son y posiblemente no podríamos respirar a través de ellas.

Los huecos que dejan las fibras que componen este tipo de mascarilla son mucho más grandes que las partículas que filtran. Es más, una mascarilla de tipo N95 filtra bien partículas grandes y partículas muy pequeñas, pero realiza un peor trabajo con partículas medianas. Así que no se trata del tamaño de los huecos.

La idea es que las partículas se queden pegadas a las fibras que forman las mascarilla. Esto puede suceder cuando las partículas son del orden de una micra o menores. A esos tamaños las partículas se puede quedar pegadas gracias a las fuerzas de Van der Waals.

Las fuerzas de Van der Waals son un conjunto de fuerzas que se definen mejor por lo que no son que por lo que son. Estas fuerzas se dan entre moléculas y son distintas a la fuerza existente en un enlace intermolecular de tipo iónico, metálico o covalente. Tampoco se deben a la interacción electrostática entre moléculas.

Las fuerzas de Van der Waals son débiles si las comparamos con los enlaces químicos normales, pero son de gran importancia en multitud de campos. Se llaman así en honor del físico holandés Johannes Diderik van der Waals, que recibió el premio Nobel de Física en 1910 y que fue el primero, que en 1873, introdujo el efecto de estas fuerzas en las ecuaciones de estado de un gas.

Estas fuerzas son las que permiten a las salamanquesas o geckos adherirse a las paredes y techos por los que andan, pero para el caso que nos concierne son importante a la hora de atrapar las partículas que puedan contener virus o bacterias y que así dejen de propagarse por el aire y que las respiremos. La ventaja es que estas fuerzas son relativamente más fuertes cuanto más pequeñas son las partículas.

Recordemos que los virus y bacterias no viajan solos la mayoría de las veces, sino que utilizan las pequeñas gotitas de saliva y agua producidas por el infectado para viajar en ellas. De este modo pueden alcanzar una mayor distancia. Pero lo importante aquí es que el tamaño de los virus y bacterias no es relevante, pues lo importante es el tamaño de las gotitas en las que viajan.

En todo caso, no debemos pensar en el tejido de una mascarilla como una mosquitera, sino en una telaraña que atrapa a los mosquitos que la atraviesen. Una mascarilla no es más que un sistema pensado para que las partículas que intentan atravesarla toquen las fibras que la componen y se queden pegadas. Para ello se usan diversos trucos.

El primer truco consiste en colocar varias «telarañas» una detrás de otra, es decir, varias capas de tejido de fibras. Con esto se incrementa la probabilidad de atrapar al mosquito o a las partículas.

Pero la probabilidad de atrapar a las partículas depende del tamaño de las mismas. Podemos clasificarlas entre las que son mayores que una micra, las partículas menores a una micra y mayores de una décima de micra y las menores a la décima de micra.

Las partículas mayores de una micra viajan, más o menos, en línea recta y al ser grandes es fácil que terminen chocando y, por tanto, adhiriéndose a una fibra de la mascarilla.

Las segundas las dejamos para más adelante porque son las que tienen un comportamiento más conflictivo.

Las terceras, las que son menores a una décima de micra, sufren el movimiento browniano. Es decir, estas partículas cambian bruscamente su trayectoria de manera aleatoria cuando chocan contra una molécula de aire. El movimiento browniano es uno de los procesos estocásticos más simples conocidos.

El movimiento browniano fue descrito por el poema Lucrecio en su poema didáctico «Sobre la Naturaleza de las cosas» en el siglo I antes de nuestra. Este poeta y filósofo romano describía la trayectoria de las motas de polvo iluminadas por una haz de luz solar al penetrar en una habitación oscura. Pero el fenómeno recibe su nombre del biólogo y botánico escocés Robert Brown, que en 1827 observó cómo se movían unos granos de polen en el agua cuando los observaba con un microscopio. Aunque no logró explicar los mecanismos que provocaban ese movimiento.

El movimiento browniano fue explicado finalmente cuando Albert Einstein publicó en un artículo (Über die von der molekularischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen) de los tres que publicó en su maravilloso 1905. Propuso que era el resultado de las partículas siendo movidas por moléculas de agua individuales. Esto hace que su trayectoria sea un zig zag aleatorio, un movimiento estocástico. Esta explicación fue una de las pruebas más convincentes de que existían los átomos y moléculas.

Tanto la difusión como la ósmosis se basan en el movimiento browniano, pero, en nuestro caso particular de las mascarillas, las partículas menores a la décima de micra sufren movimiento browniano y esto es fundamental a la hora de que toquen las fibras, se peguen y sean, por tanto, filtradas. Es lo que se llama captura por difusión. De facto, es como si estas partículas tuvieran un tamaño mucho mayor debido a su movimiento zigzagueante.

Las peores son las partículas de tamaño intermedio, como las que tienen 0,3 micras o así, que hemos llamado de segundo tipo. Estas partículas no sufren movimiento browniano y encima son pequeñas. Es más, se mueven a través del flujo de aire en forma laminar y evitan tocar las fibras, por lo que pueden atravesar múltiples capas de fibras sin ser atrapadas.

Para poder atrapar mejor estas y las demás partículas, las mascarillas sofisticadas se valen de campos eléctricos. En presencia de un campo eléctrico incluso las partículas neutras son atraídas porque las partículas son polarizadas por el mismo. Si el campo eléctrico es negativo la parte de las partículas más cercanas al campo adquieren carga positiva y las más alejadas negativas, por lo que hay una fuerza de atracción. Es lo que pasa cuando frotamos un trozo de plástico con un trapo. El plástico queda cargado eléctricamente y este atrae pequeños trocitos de papel que no están cargados, pero sí polarizados por ese mismo campo.

En teoría se podría pensar en cargar eléctricamente las fibras de una mascarilla y que estas atrajeran a las partículas, pero sólo funcionaría por un tiempo muy corto. Cualquier objeto cargado electrostáticamente pierde la carga en poco tiempo y ya no atrae nada. Recargar las fibras en este contexto carecería de sentido.

La solución es usar un electrete o electreto. Un electreto es un material dieléctrico (es decir, un no conductor) dotado de un momento dipolar eléctrico cuasipermanente. Al igual que un imán tiene polo norte y sur, un electrete posee un campo eléctrico que consta de una parte cargada positivamente y otra negativamente. Cada una de esas partes actúa de polo de atracción para objetos, pero de lejos el electreto es básicamente neutro.

Aunque el cuarzo se da el Naturaleza y se puede comportar de este modo, en general los electretos se fabrican con polímeros (polipropileno, fluopolímeros, PET, etc.), aunque se pueden fabricar con mezclas de ceras. Se preparan calentando o fundiendo el polímero y dejándolo enfriar en presencia de una campo eléctrico potente.

Las fibras de las mascarillas pueden prepararse de este modo y así atraer 10 veces más partículas que si no tuvieran momento dipolar. Una mascarilla N95 atrapa un 95% de las partículas de tamaño medio, mientras que atrapa cerca del 100% de partículas grandes y pequeñas, sobre todo gracias a esta propiedad eléctrica.

Pero para que una mascarilla de este tipo sea efectiva se debe usar apropiadamente. Si no está ajustada a la cara, las partículas contaminadas pueden pasar por los bordes al interior y ser respiradas. Además, no nos protege los ojos, por lo que se necesita una pantalla o gafas de seguridad. Una vez usadas tenemos que tirar las mascarillas a la basura con cuidado de no contaminarnos.

Este tipo de máscaras son ahora más carillas debido a la alta demanda existente, así que puede existir la tentación de reusarlas. Esto es de especial importancia para los trabajadores de la salud que no disponen de todas las mascarillas que necesitan, pero que las necesitan encarecidamente debido a su alta exposición.

Si no queda más remedio que reusarlas hay que tener cuidado de no deformarlas, pero además no podremos descontaminarlas de manera habitual como se hace con otros objetos. Lavar las mascarillas o usar lejía, alcohol o jabón destruye las propiedades eléctricas y físicas que hemos relatado y entonces dejan de ser efectivas. Tampoco hay que asumir que basta con esperar una noche a que se desactiven los virus, pues los virus necesitan de más tiempo para desactivarse. Así que necesitamos varios días para descontaminar una mascarilla con este método.

Hay un grupo de científicos que está investigando sobre cómo descontaminar las mascarillas sin destruir sus capacidades filtrantes. Parece que usar vapor caliente, vapor de agua oxigenada o rayos ultravioletas podrían dar buenos resultados. Así, un método casero podría ser exponer la mascarilla al sol.

Como hemos podido ver, detrás de las mascarillas que ahora todos llevamos puesta hay mucha física implicada que nos dice que la ciencia al final tiene una aplicación práctica y que siempre será parte de cualquier solución.

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Fuentes y referencias:
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