فیزیک ماسک: N95 چیست؟

با شیوع پاندمی کووید-۱۹، استفاده از ماسک در هر دو سطح ملّی و جهانی توصیه شده است. امّا عملکرد ماسک چگونه است و چگونه می‌تواند جلوی گسترش کروناویروس سندرم حادّ تنفسی ۲ را بگیرد؟

توجّه: بنده هیچ تخصّصی در این موضوع نداشته و مطالب آتی نیز فقط بر پایه‌ی وب‌گردی‌های شخصی و اطّلاعات عمومی است؛ لذا هرگز آن‌ها را جایگزین دستورالعمل‌ها و پروتکل‌های بهداشتی رسمی نکرده و جهت دریافت اطّلاعات قابل اعتماد به منابع معتبر مراجعه فرمایید.

ماسک ≠ غربال

معمولاً تصوّر ما از ماسک تنفّسی، به مانند یک الک یا غربال است، شامل حفره‌هایی که ذرّاتی بزرگ‌تر از یک حدّ خاص را فیلتر و بقیه را عبور می‌دهد. امّا درواقع چنین نیست و در خصوص همه‌ی ماسک‌ها صدق نمی‌کند. در حقیقت ماسک‌هایی که جهت حفاظت فرد در برابر بیماری به کار می‌روند، ذرّاتی را فیلتر می‌کنند که بسیار کوچک‌تر از فاصله‌ی میان الیاف خودشان است! امّا چگونه؟

هدف این دسته از ماسک‌ها درواقع این نیست که مسیر ذرّات معلّق در هوا را توسّط الیاف خود مسدود کند، بلکه در حقیقت آن‌ها را به وسیله‌ی الیافشان جذب کرده و مانع از معلّق شدنشان در هوا می‌شود. این کار توسّط چندین تکنیک بسیار جالب فیزیکی و شیمیایی انجام می‌شود.

ذرّات معلّق

ذرّات معلّق در هوا را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد که برای فیلتر کردن هر کدام نیز روش خاصّی به کار می‌رود:

  • ذرّات بزرگ‌تر از ۱ میکرومتر: این ذرّات «بزرگ» معمولاً در مسیرهایی نسبتاً مستقیم در هوا حرکت می‌کنند. پس با تعبیه‌ی چندین لایه از الیاف در دیواره‌ی ماسک، می‌توان مطمئن شد که تقریباً تمام آن‌ها در نهایت با یکی از الیاف برخورد کرده و توسّط نیروی وا‌ن‌دِروالسی (Van der Waals force) میان ملوکول‌ها، به الیاف می‌چسبند -- درست همانند موتورسواری که تلاش کند در یک جنگل انبوه، روی خطّ مستقیمی حرکت کند؛ بسیار نامحتمل است که بدون برخورد با هیچ تنه‌ی درختی از سوی دیگر جنگل خارج شود. طبیعتاً هرچه تعداد لایه‌ها بیشتر باشد، احتمال برخورد نیز بیشتر شده و به ۱۰۰٪ میل می‌کند.
  • ذرّات کوچک‌تر از ۰/۱ میکرومتر: مسیر حرکت این ذرّات «کوچک» و بسیار سبک، به دلیل برخورد مداوم با مولکول‌های هوا، مستقیم نبوده و جهتشان مرتّب عوض می‌شود -- معروف به حرکت براونی (Brownian motion). این حرکت نامنظّم، احتمال این که ذرّه با یکی از الیاف ماسک برخورد کند را بسیار بالا می‌برد. احتمال برخورد این دسته از ذرّات نیز با افزایش تعداد لایه‌ها به ۱۰۰٪ میل می‌کند.
  • ذرّات میان ۰/۱ تا ۱ میکرومتر: فیلتر کردن این ذرّات «متوسّط» است که بزرگ‌ترین چالش برای ماسک‌ها محسوب می‌شود. این ذرّات نه در مسیر مستقیم حرکت کرده و نه حرکت براونی دارند. در عوض معمولاً به همراه جریان هوا حرکت کرده و لذا به همراه هوا می‌توانند از کنار تمامی لایه‌های ماسک عبور کنند. لذاً تعدّد شمار لایه‌های ماسک کمک چندانی نکرده و لازم است روشی جهت تغییر مسیر و جذب آن‌ها استفاده شود. برای این کار، معمولاً الیاف را به شیوه‌ی خاصّی دارای بار الکتریکی می‌کنند. در نتیجه زمانی که ذرّات معلّق به ماسک می‌رسند، تحت تأثیر میدان الکتریکی حاصل شده از الیاف باردار ماسک قرار گرفته و جذب آن‌ها می‌شوند.
روش‌های جذب انواع ذرّات
روش‌های جذب انواع ذرّات

از همین‌جا می‌توان تفاوت میان یک ماسک تنفّسی استاندارد را با یک ماسک معمولی یا یک تکّه پارچه (همچون ماسکی پارچه‌ای و یا شال یا چادری که بر روی دهان گرفته شده است) را فهمید.

بدیهیات: صرف پوشش دهان و بینی به معنای آن نیست که دیگر در برابر هر نوع تهدید تنفّسی مصونیت دارید!!

نکته‌ی دیگر آن‌که هر ماسک، موارد مصرف خاصّ خود را داشته و برای مصارف خاصّی طرّاحی شده‌است. مثلاً ممکن است برخی از ماسک‌ها (به ویژه ماسک‌های صنعتی) دارای لایه‌های خاصّی بجز الیاف معمولی یا باردار نیز بوده که مثلاً دارای موادّی جهت جذب یا واکنش با گازها و بخارهای سمّی به‌خصوصی باشند. واضح است که پیش از خرید/دریافت ماسک، باید به موارد مصرف آن نیز توجّه کرده و مثلاً یک ماسک پزشکی را برای حفاظت در برابر گازهای سمّی به کار نبرید! (چرا که کارِتان شبیه تلاش برای خوردن سوپ با چنگال و ماکارونی با ملاقه خواهد شد!! شباهت دو ابزار به معنای آن نیست که می‌توانید آن‌ها را بجای هم به کار ببرید.)

نکته: حال که می‌دانید ماسک‌ها نه غربال‌گر ذرّات، بلکه جاذب ذرّات هستند، متوجّه می‌شوید که چرا هر یک طول عمر خاصّی داشته و توصیه می‌شود که پس از استفاده، دور انداخته شوند. همچنین این که چرا نباید سطح خارجی آن‌ها را لمس کنید (برخی انگار عادت دارند که هر چند دقیقه یک بار، ماسک خود را با دست لمس کرده و یا مجدّداً روی صورتشان تنظیم کنند!) و برای تنظیم یا برداشتنشان فقط باید از بندها استفاده شود. و مهم‌تر از همه، متوجّه می‌شوید که چرا درست نیست که پس از استفاده، آن را به زمین بیندازید و در یک محیط عمومی رها کنید!

ماسک N95 چیست؟

همان‌گونه که توضیح داده شد، چالش‌برانگیزترین ذرّات برای ماسک‌ها، نه ذرّات بزرگ یا کوچک، بلکه ذرّات متوسّط هستند (و خبر بد این که یکی از روش‌های رایج انتقال ویروس کرونا نیز از طریق دراپْلِت‌ها (droplet) است: ذرّات مایع کوچکی که از دهان و بینی افراد ترشّح شده و در هوا معلّق می‌مانند. برخی از دراپلت‌ها بزرگ بوده و حتّی توسّط یک ماسک پارچه‌ای نیز فیلتر می‌شوند، امّا برخی نیز در بازه ذرّات متوسّط (همان محدوده‌ی ۰/۱ تا ۱ میکرومتر) قرار می‌گیرند و می‌توانند حامل ویروس نیز باشند). در حقیقت از آن‌جا که تقریباً ۱۰۰٪ ذرّات بزرگ یا کوچک توسّط ماسک فیلتر می‌شوند، کارایی ماسک‌ها بر اساس توانایی‌شان در برابر فیلتر کردن ذرّات متوسّط سنجیده می‌شود. یک ماسک N95، ماسکی است که می‌تواند حداقل ۹۵٪ ذرّات متوسّط را فیلتر کند. به همین ترتیب، یک ماسک N99 این کَف را تا ۹۹٪ بالا می‌برد.

امّا N به چه معناست؟ قضیه از این قرار است که استاندارد NIOSH (سرواژه: National Institute for Occupational Safety and Health -- وابسته به ایالات متّحده)، فیلترها را به چند کلاس طبقه‌بندی می‌کند:

  • کلاس N: برگرفته از «not resistant to oil»، این ماسک‌ها/فیلترها هیچ مقاومتی در برابر ذرّات روغن و چربی نداشته و وجود این ذرّات در محیط، به ماسک آسیب زده و توانایی فیلتر کردنش را به شدّت کاهش می‌دهد.
  • کلاس R: برگرفته از «resistant to oil»، این ماسک‌ها/فیلترها می‌توانند ذرّات روغن و چربی را برای چند ساعت تحمّل کنند؛ امّا پس از آن لازم است تعویض گردند.
  • کلاس P: برگرفته از «oil-proof»، این ماسک‌ها/فیلترها مقاومتی طولانی در برابر ذرّات روغن و چربی داشته و می‌توانند پیش از تعویض، تا دفعات متعدّدی مورد استفاده‌ی مجدّد قرار گیرند.

آن‌چه برای حفاظت در برابر عامل کووید-۱۹ توصیه می‌گردد، ماسک N95 است.

ماسک FFP2 چیست؟

ممکن است روی ماسکتان بجای مثلاً N95، عبارتی همچون FFP2 درج شده باشد. ماسک‌های FFP بر اساس استاندارد دیگری (EN-149) متعلّق به اتّحادیه‌ی اروپا درجه‌بندی شده‌اند. این استاندارد کمی پیچیده‌تر بوده و بیشتر بر اساس مورد و کاربرد استفاده‌ی ماسک است. ماسک‌ها در این استاندارد به سه کلاس FFP1 و FFP2 و FFP3 طبقه‌بندی شده که کلاس توصیه‌شده برای حفاظت در برابر عوامل ویروسی و میکروبی موجود در هوا، FFP2 است. معمولاً یک ماسک FFP2 در استاندارد اتّحادیه‌ی اروپا، برابر یک ماسک N95 در استاندارد ایالات متّحده است.

سایر استانداردها

چند استاندارد رایج دیگر برای ماسک‌ها که ممکن است در بازار به آن‌ها بر بخورید، KN و KF است. رده‌ی KN به چین تعلّق داشته و KF به کره‌ی جنوبی. همچنین برای حفاظت در برابر بیماری‌هایی چون کووید-۱۹، کلاس KN-95 یا KF94 توصیه می‌شود که معادل همان N95 (یا FFP2) است.

نکته‌ی مهم جهت جلوگیری از فرصت‌طلبی سودجویان: این که یک ماسک بر اساس استاندارد کدام کشور/منطقه رده‌بندی شده باشد، هیچ ارتباطی به کشور سازنده‌ی آن ندارد. برای مثال ممکن است ماسکی تولید چین بوده، امّا استاندارد اتّحادیه‌ی اروپا را دریافت نموده باشد. و یا صرف این که روی ماسکی عبارت N95 درج شده، لزوماً به این معنا نیست که ساخت ایالات متّحده و یا حتّی سفارش ایالات متّحده است.

اجزای ماسک

از توضیحات بالا متوجّه می‌شوید که استاندارد ماسک نه به شکل آن ارتباطی داشته و نه به این که آیا سوپاپ دارد یا خیر! به طور معمول، یک ماسک از اجزای زیر تشکیل شده است:

  • فیلتر: تمامی توضیحات بالا در مورد نوع فیلتر ماسک، کاربرد و میزان کارایی آن بوده‌اند. حال این فیلتر را به هر شکلی می‌توان برش زد، تا زد و دوخت تا به شکل مناسبی در آمده و امکان قرار دادن آن بر روی صورت فراهم گردد. فارغ از شکل، فیلتر باید به گونه‌ای بوده که بتواند به درستی روی صورت قرار گرفته و هوا از لبه‌های اطراف ماسک رد و بدل نشود. این خاصیت معمولاً ازآن ماسک‌های کاسه‌ای‌شکل و قیفی‌شکل است.
توجّه: همه‌ی ماسک‌های موجود در این تصویر (یا به طور کلّی در تمامی تصاویر این مطلب)، لزوماً برای حفاظت در برابر کووید-۱۹ توصیه نمی‌شوند. برای انتخاب ماسک مناسب به منابع معتبر مراجعه فرمایید.
مجدّداً یادآوری می‌شود که این یک مطلب آموزشی و قابل اطمینان نیست و صرفاً بر اساس اطّلاعات عمومی بنده گردآوری شده است.
برخی از انواع شکل‌های ماسک
برخی از انواع شکل‌های ماسک

بند: برخی از ماسک‌ها ممکن است دارای دو بند به شکل حلقه باشند که به دور گوش‌ها انداخت می‌شود. برخی نیز ممکن است دارای یک یا دو بند باشند که به دور سر و/یا گردن انداخته و یا گره زده می‌شود. مهم آن است که شیوه درست زدن و برداشتن ماسکی که در اختیار شماست را بدانید که با در دسترس بودن اینترنت، به راحتی می‌توانید فقط با کمی جستجو، آن را یاد بگیرید.

انواع بند ماسک
انواع بند ماسک
  • مفتول بینی: اکثر ماسک‌های استاندارد، حداقل یک سیم فلزی نیز در بالای خود دارند که پس از زدن ماسک، باید روی بینی شما قرار گیرند تا با فشار دادنش، آن را به شکل بینی خود در بیاورید و منافذ ورود هوا از اطراف بینی را ببندید. به همین دلیل است که باید توجّه کنید ماسک را اشتباهاً برعکس نزنید.
مفتول بینی ماسک
مفتول بینی ماسک
  • سوپاپ: برخی از ماسک‌ها یک یا دو سوپاپ نیز بر روی فیلتر خود دارند. کاری که این سوپاپ انجام می‌دهد (یا اصولاً به طور استاندارد باید انجام دهد) این است که به هنگام دَم بسته شده تا هوا فقط بتواند از فیلتر ماسک رد شود، و هنگام بازدم باز شده تا هوا از طریق آن خارج شود. برخی به اشتباه فکر می‌کنند وظیفه‌ی تصفیه‌ی هوا به عهده‌ی خود سوپاپ است (و حتّی به ماسک‌های سوپاپ‌دار، «ماسک فیلتردار» می‌گویند!)، درحالی که چنین نیست و تنها وظیفه‌ی سوپاپ، کمک به بازدم راحت‌تر است، به ویژه برای افرادی چون کادر درمانی که ناچارند ساعت‌ها با ماسک مشغول به کار باشند؛ چرا که برای ایشان، تجمّع مداوم مقادیری کربن‌دی‌اکسید در ماسک و تنفّس مداوم آن در طی چند ساعت، می‌تواند باعث بروز پدیده‌ای موسوم به «mask fatigue» یا «خستگی از ماسک» شود که حاصل آن علائمی چون احساس خستگی و خواب‌آلودگی است. وجود یک سوپاپ می‌تواند سرعت بروز این پدیده را کُندتر نماید.
نکته‌ی بهداشتی: همان‌طور که گفته شد، وظیفه‌ی سوپاپ ماسک این است که بازدم را آزادانه (و بدون تصفیه) از ماسک خارج کند. لذا بدیهیست که استفاده از ماسک‌های سوپاپ‌دار برای افرادی که خود ناقل بیماری هستند و می‌خواهند از ابتلای دیگران جلوگیری کنند منطقی نیست! چرا که بازدم تصفیه‌نشده و آلوده‌ی این افراد، بدون هیچ مانعی از سوپاپ ماسک خارج گشته و می‌تواند دیگران را نیز آلوده کند. این موضوع توسّط برخی از متخصّصان نیز تأکید شده است (منبع: irna.ir/news/83836041).
ماسک سوپاپ‌دار (قطعه‌ی مربّعی‌شکل همان سوپاپ ماسک است)
ماسک سوپاپ‌دار (قطعه‌ی مربّعی‌شکل همان سوپاپ ماسک است)
ماسک سوپاپ‌دار (قطعه‌ی دایره‌ای‌شکل همان سوپاپ ماسک است)
ماسک سوپاپ‌دار (قطعه‌ی دایره‌ای‌شکل همان سوپاپ ماسک است)

اگر ماسک ندارید

با شیوع کووید-۱۹، تقاضا برای ماسک به شدّت جهش پیدا کرده و لذا موجب گرانی و کم‌یابی ماسک شده است. در نتیجه ممکن است نتوانید موفّق به پیدا کردن ماسک مناسبی شوید. سازمان بهداشت جهانی (WHO) توصیه می‌کند [+] که در چنین حالتی و اگر هیچ چاره‌ای نیست (و طبیعتاً برای عُموم مردم - نه کارکنان حوزه‌ی سلامت - و در شرایطی که برخوردهای اجتماعی کم است) باز هم پوشش دهان و بینی با ماسک‌های غیرپزشکی بسیار بهتر از هیچ است. لذا اگر واقعاً گزینه‌ی دیگری ندارید، به عنوان راه حل نهایی می‌توانید از ماسک‌های پارچه‌ای، شال، روبنده و... نیز استفاده نمایید تا حداقل جلوی برخی از ذرّات معلّق کوچک یا بزرگ گرفته شود.

ماسک پارچه‌ای به عنوان آخرین راه حل
ماسک پارچه‌ای به عنوان آخرین راه حل
اگر واقعاً هیچ چاره‌ی دیگری نیست -- تا زمانی که ماسک در اختیار دارید هرگز به چنین روشی متوسّل نشوید!
اگر واقعاً هیچ چاره‌ی دیگری نیست -- تا زمانی که ماسک در اختیار دارید هرگز به چنین روشی متوسّل نشوید!

شست‌و‌شوی ماسک

ماسک‌ها هر یک طول عمری داشته و کارایی خود را به مرور از دست می‌دهند. شستشوی آن‌ها نیز چندان سودی ندارد، چرا که استفاده از الکل، موادّ ضدعفونی‌کننده، آب و صابون، حرارت بسیار و... میدان الکتریکی اطراف الیاف را از بین برده و از خاصیت جذب ماسک به شدّت می‌کاهد. به هر حال اگر باز هم صحبت از «آخرین راه حل» است، به این روش نیز شاید بتوانید متوسّل شوید. به هر حال در نظر داشته باشید که ماسکتان هرگز همچون حالت اوّل خود نخواهد شد.

پیشنهاد: یک موضوع پژوهشی که می‌تواند مورد توجّه دانشجویان، پژوهشگران و شرکت‌های دانش‌بنیان قرار گیرد همین است؛ آیا می‌توان روشی پیدا کرد که ماسک‌های استفاده شده را به شکلی تمیز کرد که از آلاینده‌های ویروسی و عفونی (و همچنین دیگر آلاینده‌ها) پاک‌سازی شود، بدون این که به الیاف و میدان الکتریکی میان آن‌ها آسیبی وارد شده و از خاصیت فیلتر کردن ماسک بکاهد؟ (و یا خاصیت از دست رفته را برگرداند؟)
چنین دستاوردی هم احتمالاً ارزش تجاری بالایی خواهد داشت، هم تقاضا (و در نتیجه قیمت) ماسک‌ها را کاهش خواهد داد و هم جلوی حجم بزرگی از زباله‌های عفونی را خواهد گرفت.

منابع

توجّه: برای مرتبه‌ی سوّم و محض اطمینان، تأکید می‌گردد که بنده هیچ سررشته و تخصّصی در هیچ یک از حوزه‌های مرتبط با علوم تجربی نداشته و این مطلب نیز فقط و فقط بر اساس اطّلاعات عمومی و مطالب یافت‌شده در وب‌گردی‌های شخصی نوشته شده است. هیچ قسمتی از این مطلب جایگزین دستورالعمل‌ها و پروتکل‌های بهداشتی رسمی نبوده و قابل استناد نیز نمی‌باشد. همچنین احتمال ناقص یا اشتباه بودن محتوا نیز وجود دارد. برای هر تصمیمی مرتبط با سلامتی خود یا دیگران، با متخصّص مربوطه مشورت کرده و در خصوص مسائل مرتبط با بهداشت و درمان، فقط و فقط نظر متخصّصان و مراجع معتبر را ملاک قرار دهید.