La física de la mascarilla N95

Jul 20, 2023

Rhett Allain

Es 2022 y, a estas alturas, todos hemos estado usando máscaras durante casi dos años. Y a menos que sea un cirujano o un trabajador de la construcción que ya los usaba todos los días, en esos dos años probablemente haya aprendido mucho sobre ellos: cuáles le gustan más, dónde conseguirlos y si tiene algunos extras guardados. un bolsillo del abrigo o en algún lugar de su coche.

Pero, ¿sabe qué hace que la preciada máscara N95 sea tan especial? Vamos a averiguar.

Las fibras de las mascarillas faciales normales de tela o papel filtran las partículas al bloquearlas físicamente, pero las fibras de una mascarilla N95 también utilizan un gran truco físico. Estas fibras están cargadas eléctricamente.

La carga eléctrica es una de las propiedades fundamentales de todas las partículas. Casi todo lo que te rodea está hecho de tres partículas: el protón, el electrón y el neutrón. (Por ahora, ignoremos los muones y los neutrinos, ambas partículas fundamentales que realmente existen, así como otras partículas que son teóricamente posibles).

Así como toda partícula tiene una masa, también tiene una carga. El protón tiene una carga eléctrica positiva con un valor de 1,6 x 10-19 culombios, la unidad para medir la carga eléctrica. El electrón tiene la carga exactamente opuesta. Eso deja al neutrón con carga cero (por lo tanto, la parte "neutra" de "neutrón").

La carga eléctrica es una parte clave de la interacción electrostática, la fuerza entre las cargas eléctricas. La magnitud de esta fuerza depende de las magnitudes de las dos cargas y de la distancia entre ellas. Podemos calcular esta fuerza con la ley de Coulomb. Se parece a esto:

En esta expresión,k es una constante con un valor de 9 x 109 N×m2/C2. los cargos sonq1yq2y la distancia entre ellos esr . Esto dará una fuerza en newtons. Si las dos cargas tienen el mismo signo (tanto positivas como negativas), entonces será una fuerza repulsiva. Si las dos cargas son de distinto signo, entonces la fuerza es de atracción.

Por Brenda Stolyar y Eric Ravenscraft

Si todo está hecho de electrones y protones, ¿no debería haber fuerzas eléctricas entre todo? Especie de. Los electrones y los protones son muy pequeños. Eso significa que incluso una pequeña gota de agua tendrá algo así como 1022 protones. Esa gota probablemente tendrá el mismo número de electrones. (Y a nadie le importan los neutrones, al menos por ahora). Eso hace que la carga total de esta gota de agua sea igual a cero culombios. Incluso si tiene electrones adicionales en el agua, la carga total será pequeña, ya que la carga de los electrones es insignificante. Esencialmente, la mayoría de las cosas que puedes ver son eléctricamente neutras sin fuerzas eléctricas.

¿Recuerdas aquella vez que sacaste un calcetín de la secadora y se te quedó pegado a la camisa? Si esa es una interacción de electricidad estática, ¿cómo se cargó el calcetín?

Para hacer que un calcetín se cargue negativamente, solo hay una forma de hacerlo: asegurarse de que el calcetín tenga más electrones que protones. Vas a necesitar muchos electrones, tal vez algo del orden de 1013 electrones adicionales. (Para darle una idea de qué tan grande es este número, sería el número total de billetes que necesitaría para darle a todos en la tierra $1,000 en billetes sencillos). Todos esos electrones adicionales le darían al calcetín una carga negativa total de alrededor de 1 microculombio (1 x 10-6 C).

Si desea hacer que ese mismo calcetín tenga una carga positiva, en lugar de agregar electrones, los eliminaría. Esto dejaría el calcetín con más protones que electrones para una carga positiva general. Pero no se pueden eliminar los protones de la mayoría de los objetos a la ligera. Bueno, puedes, pero podría ser muy malo. Piense en la tabla periódica de elementos. Digamos que empiezas con un objeto que está hecho de carbono, que tiene seis protones en el núcleo. Si quitaras uno de estos protones, ya no sería carbono. Sería boro, que tiene cinco protones, y acabarías de crear una reacción nuclear.

Parth MN

lauren goode

Joel Khalili

julian chokkattu

Por otro lado, si le quitas un electrón al carbono, es solo un ion de carbono. No se transforma en un elemento diferente.

Bien, pero ¿cómo agregas o quitas electrones? Realmente solo tienes dos opciones. El método más común es transferir electrones de una superficie a otra frotándolos. Sé que parece una tontería, pero es verdad. Si toma un bolígrafo de plástico y lo frota en su suéter de lana, tanto el bolígrafo como el suéter se cargarán. Pero, ¿cuál obtendrá los electrones? La respuesta depende de los dos tipos de materiales, y puedes resolverla con la ayuda de algo llamado serie triboeléctrica. Usando eso, encontraríamos que la lana está cargada positivamente y la pluma es negativa.

Si necesita otro ejemplo, esto es lo que sucede si frota una camisa de algodón en un tobogán de plástico:

En este caso, el niño de la foto (es una foto más antigua de uno de mis chicos) se tiró por el tobogán con la camiseta rozando el plástico. Esos electrones en exceso se esparcieron por su cuerpo y se metieron en su cabello. Como todo el cabello estaba cargado negativamente, cada mechón repelía a los demás. La única forma en que podían alejarse lo más posible de los otros hilos era poniéndose de pie.

Esta es una imagen genial, pero se necesitan dos cosas para que esto suceda. Primero, necesitas un cabello muy fino y claro. (El cabello rizado permanecerá rizado y no se erizará). En segundo lugar, el aire debe estar seco. Resulta que un niño con carga eléctrica atraerá agua (abajo les mostraré por qué) y cuando el agua los golpea, elimina la carga.

Hay otra forma de llevar el exceso de electrones a un objeto: dispararle. Sí, existe tal cosa como un "cañón de electrones". Pero tal vez ya hayas visto algo similar: los televisores de rayos catódicos de estilo antiguo disparaban una corriente de electrones para golpear la pantalla y hacer esas bonitas imágenes. Entonces es posible cargar algo sin tocarlo.

Si usa una máscara N95, los objetos que desea detener son las pequeñas gotas húmedas que salen de la nariz y la boca de una persona y que posiblemente podrían transmitir un virus. Estos están esencialmente descargados.

Puede pensar que una máscara facial N95 cargada eléctricamente solo sería buena para detener objetos cargados eléctricamente, pero puede tener una interacción entre objetos cargados y sin carga.

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Comencemos con una demostración simple que puedes hacer en casa. Comience con un bolígrafo de plástico (o alguna otra cosa pequeña de plástico) y una de esas bolsas de plástico para supermercado. Ahora frota el bolígrafo con la bolsa. Debería cargarse eléctricamente. Si no puede hacer que funcione, es posible que deba cambiar los materiales; podría intentar frotar el bolígrafo de plástico contra un poco de lana o su cabello. Ahora rompa un poco de papel en pedazos pequeños y colóquelos sobre la mesa. Cuando acercas el bolígrafo cargado al papel, obtienes una física de aspecto mágico.

Así es como funcionó el mío. Estoy usando un pequeño tubo de plástico, simplemente funciona mejor que un bolígrafo:

Esos son solo pedazos de papel normales sin cargo neto. Entonces, ¿por qué se sienten atraídos por el plástico?

La respuesta es la polarización. Consideremos el modelo más simple de una molécula de papel. Esta molécula de papel ficticia es una esfera con solo dos partículas cargadas, un protón y un electrón. (Si está pensando en la tabla periódica, sí, esto lo convertiría en papel de hidrógeno. No, no existe en absoluto).

Aquí está mi modelo de esto:

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En los átomos, el electrón negativo actúa como si estuviera repartido por la región azul. Lo llamamos una "nube de electrones". Sé que parece extraño, pero suceden cosas raras con objetos diminutos como moléculas. Lo importante es que el centro de la nube azul negativa esté en el mismo lugar que la carga positiva. En este estado, no está polarizado.

Ahora digamos que la pluma cargada positivamente se acerca a la molécula de papel. La nube de electrones será atraída hacia la pluma (porque tienen cargas opuestas) y el protón positivo será empujado.

Así es como se verá la molécula de papel ahora:

(Nota: esto ni siquiera está cerca de ser la escala correcta).

La molécula de papel ahora está polarizada. La pluma positiva interactúa tanto con el electrón negativo como con el protón positivo. Sin embargo, la ubicación efectiva de la nube de electrones negativos está más cerca de la pluma que del protón. La magnitud de la fuerza eléctrica entre las cargas disminuye a medida que aumenta la distancia de separación. Esto significa que la fuerza de atracción entre la pluma y el electrón es mayor que la fuerza de repulsión entre la pluma y el protón. Entonces, hay una fuerza de atracción general que tira del papel hacia la pluma, aunque el papel sea neutral.

Sí, es solo una molécula, pero si ocurre lo mismo con todas las moléculas de la hoja de papel, se puede obtener una fuerza de atracción. Eso es genial, ¿verdad?

¿Notaste en mi demostración que parte del papel es atraído y luego repelido por el tubo de plástico? Eso puede pasar. Cuando el papel golpea el tubo positivo, algunos de los electrones negativos se transfieren del papel al bolígrafo. Ahora el papel también es positivo y la pluma lo repele para hacerlo volar.

Algo similar sucede con el agua, pero es técnicamente diferente. En realidad, esta es otra gran demostración para probar: tome su bolígrafo de plástico cargado y acérquelo a un chorro muy delgado de agua de un grifo. Esto es lo que sucede:

Observe que algunas de las gotas de agua son atraídas en la medida en que rodean parcialmente la tubería cargada. ¿Por qué el agua hace esto? Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (sí, H2O). Pero debido a la forma en que están dispuestos estos átomos, existe una separación de carga permanente. Aquí hay un modelo aproximado:

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Da la casualidad de que los dos átomos de hidrógeno que actúan así son más positivos, y el oxígeno actúa como si fuera negativo. Debido al ángulo doblado de los enlaces, se produce una separación de carga tal que esta molécula de agua se polariza. Una gota de agua cerca de un objeto cargado rotará de tal manera que el extremo de la molécula con carga opuesta mirará hacia el objeto y luego será atraído por él. Es por eso que puedes doblar un chorro de agua con una pieza de plástico cargada.

Ahora imagine algo similar a la pluma cargada eléctricamente y el agua, pero a una escala mucho más pequeña. En lugar de un bolígrafo, tienes un montón de fibras de plástico. En lugar del agua tienes las gotas que salen volando de la boca de alguien. Esto es esencialmente lo que sucede en una máscara N95. La fibra de la máscara atrae esas gotas, evitando que el usuario las inhale. A una escala muy pequeña (como la de las fibras y los aerosoles respiratorios), las cosas tienden a pegarse, debido a lo que se llama la interacción de van der Waals. Esta es básicamente una interacción atractiva entre dos objetos sin carga debido a las separaciones de carga muy leves.

Con una fibra N95, no tienes que frotarla con ningún otro material para que se cargue. Las fibras de la máscara se crean a partir de un material "electret"; esta palabra proviene de la combinación de eléctrico e imán. No, no es un electroimán, es un objeto con carga eléctrica permanente, de la misma manera que lo es una barra magnética en su refrigerador.

Hay un par de maneras de hacer materiales electret. Una es bombardear las cosas con electrones para que se atasquen en la fibra y hacer que permanezca cargada. El otro método es calentar un material en un campo eléctrico. El aumento de temperatura permite que las moléculas del material giren a un estado polarizado, debido a su interacción con el campo eléctrico. Una vez que el material se enfría, las moléculas permanecen polarizadas. Esto hace un material de electreto ligeramente diferente, ya que crea un efecto eléctrico a pesar de que todavía tiene una carga neutra.

Por lo tanto, las fibras de electreto en una máscara N95 no solo bloquean las partículas pequeñas al estorbar, sino que también pueden atraerlas con la interacción eléctrica, por lo que se adhieren a las fibras. Esto significa que esas gotas de agua que contienen un virus no se inhalan y el usuario de la máscara no se infectará. Por supuesto, un N95 también bloquea otras partículas pequeñas, como polvo, pintura y otras cosas tóxicas que podrían no ser buenas para que una persona las inhale en su cuerpo.

Así que ahí lo tiene: la máscara N95 no solo nos ayuda a todos a superar esta terrible pandemia, sino que también nos puede enseñar una física increíble.

Actualización 1-28-2022 4:48 pm ET: Esta historia se actualizó para corregir la información sobre la separación de carga en los átomos de una molécula de agua.