हवेमार्फत पसरणाऱ्या रोगवाहक जलकणांना अडथळा आणण्याचे काम फेसशिल्ड्स करतात. विमानं आणि कचेऱ्या यांसारख्या बंदिस्त जागी बोलण्यातून, श्वासातून, खोकल्यातून किंवा शिंकेवाटे हे थेंब पसरण्याची जास्त शक्यता असते. अशा ठिकाणी फेसशिल्ड्स खूप परिणामकारक ठरतात. कोविड-१९ महामारीच्या काळात फेसशिल्ड्सचे महत्त्व वाढले आहे. प्लेक्सीग्लास प्लास्टिक किंवा पॉलीएथिलिन टेरीप्थॅलेट (पेट) यापासून तयार केलेली साधी फेसशिल्ड्स सर्वांना वापरण्यासाठी सहज उपलब्ध आहेत.
प्लास्टिक हे जलस्नेही असते. त्याच्या पृष्ठभागावर पाण्याचे लहान-लहान थेंब चिकटून राहतात. श्वसनमार्गावाटे बाहेर पडलेले सार्स-कोव्ह-२ चे विषाणू असलेले जलकण विविध पृष्ठभागांवर काही तासांपासून ते काही दिवसांपर्यंत तग धरून राहू शकतात असं संशोधकांना दिसून आलं आहे. अशा दूषित पृष्ठभागाला नकळत स्पर्श करणाऱ्यांना रोगाचा संसर्ग होऊ शकतो. यालाच फोमाईट ट्रान्समिशन असे म्हणतात. फेसशिल्ड जलस्नेही असल्यामुळे फोमाईट ट्रान्समिशनची शक्यता वाढते आणि त्यामुळे ते सतत स्वच्छ करून निर्जंतुक करावे लागतात.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) येथील यंत्र अभियांत्रिकी विभागातील संशोधकांच्या गटाने फेसशिल्ड्सची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी एक अभिनव पद्धत मांडली आहे. त्यामध्ये फेसशिल्ड्सवर जलविरोधी पदार्थाचा लेप दिला जातो. हे संयुक्त फेसशिल्ड वायूवाहित कणांना अडथळा निर्माण करते, शिवाय त्यांना प्रतिकर्षित देखील करते. यामुळे फेसशिल्डच्या पृष्ठभागावर फोमाईट (संसर्गवाहक पदार्थ) तयार व्हायचा धोका कमी होतो. संशोधकांच्या प्रयोगांचे निष्कर्ष फिजिक्स ऑफ फ्लुईड्स या नियतकालिकात प्रकाशित झाले आहेत. या प्रकल्पाला औद्योगिक संशोधन आणि सल्लागार केंद्र (आयआरसीसी), आयआयटी मुंबई यांच्याकडून निधी प्राप्त झाला आहे.
तोंडावाटे किंवा नाकावाटे बाहेर फेकले गेलले जलकण अगदी लहान म्हणजे सुमारे ५०-२०० मायक्रॉन आकाराचे असतात. (एक मायक्रॉन म्हणजे एक मिलीमीटरचा हजारावा भाग) त्यामुळे ते नुसत्या डोळ्यांना दिसू शकत नाहीत. संशोधकांच्या गटाचा मुख्य हेतू कोविड-१९ चा प्रसार कमी करण्यासाठी संरक्षक साधनांमध्ये सुधार करणे होता. म्हणून त्यांनी सर्वप्रथम फेसशिल्ड्सची कार्यक्षमता सुधारण्यावर लक्ष केंद्रित केले.
पाण्याचा थेंब एखाद्या पृष्ठभागावर पडून उसळी मारण्याआधी त्या थेंबाची ऊर्जा (गतिज ऊर्जा) आणि पृष्ठताण या दोन्ही गोष्टींमुळे थेंब चपटा होऊन पृष्ठभागावर पसरण्याकडे कल असतो. पृष्ठभाग पाण्याला आकर्षित करणारा असेल (अधिक आर्द्रणीयता), तर तो थेंब पसरतो आणि पृष्ठभागाला चिकटून राहतो. पेट पासून बनलेल्या फेसशिल्ड्सच्या पृष्ठभागावर या पद्धतीने थेंब पसरतो आणि पृष्ठभागावर चिकटून राहतो. जेव्हा हा पृष्ठभाग तिरका असेल (म्हणजे जेव्हा हे शिल्ड एखाद्याने घातलेलं असेल) तेव्हा पसरत जाणारा हा थेंब गुरुत्वाकर्षणामुळे खाली ओघळतो. या ओघळणाऱ्या थेंबामुळे फेसशिल्डमधून नीट दिसत नाही, शिवाय फोमाईट तयार व्हायची शक्यता वाढते.
फेसशिल्ड्सवर पाण्याचे थेंब चिकटून राहू नयेत यासाठी त्यावर जलविरोधी पदार्थाचा थर लावण्याची अभिनव कल्पना संशोधकांनी काढली आहे. त्यासाठी त्यांनी गाड्यांच्या काचांवर(विंडशिल्ड्स) लेप लावण्यासाठी वापरला जाणारा आणि बाजारात सहज व स्वस्तात उपलब्ध असलेला फवारा वापरून पाहिला. त्या फवाऱ्यात असलेल्या सिलिका नॅनोकणांमुळे लेप अत्यंत जलविरोधी बनतो. या लेपामुळे खराब हवामानात देखील गाडीच्या काचा स्वच्छ राहायला मदत होते.
फेसशिल्डवर हा जलविरोधी लेप लावला तर विषाणू असलेले लहान-लहान थेंब फेसशिल्ड झटकून टाकू शकते असे संशोधकांनी दाखवून दिले. फेसशिल्डवर पडणारे पाण्याचे थेंब पृष्ठभागावरून टप्पा पडून उसळतात असे त्यांना दिसले. त्यामुळे लेप दिलेल्या भागावर पाणी साचून फोमाईट तयार होऊ शकले नाही.
लेप दिलेल्या फेसशिल्डचा पाण्याला प्रतिकर्षित करण्याचा गुणधर्म सिद्ध करण्यासाठी संशोधकांच्या गटाने प्रयोगशाळेत काही प्रयोग केले. फेसशिल्डच्या पृष्ठभागाबरोबर थेंबांच्या होणाऱ्या परस्परक्रियेचे मूल्यमापन करणारी पद्धत हे या संशोधनाचे आणखी एक अभिनव वैशिष्ट्य आहे.
पृष्ठभागाबरोबर होणाऱ्या जलकणांच्या परस्परक्रियेचा अभ्यास करण्यासाठी सध्या अस्तित्वात असलेल्या मूल्यमापन पद्धती लेझर तंत्राचा वापर करतात. या पद्धतीमुळे या क्रियेचे एकंदर स्वरूप लक्षात येते. “मात्र, लेप दिलेल्या फेसशिल्डच्या पृष्ठभागाशी संपर्क झाल्यावर प्रत्येक थेंब कसा प्रतिसाद देतो हे आम्ही आमच्या अभ्यासातून दाखवले आहे,” असे शोधनिबंधाचे सहलेखक प्राध्यापक रजनीश भारद्वाज सांगतात. तसेच या लेपामुळे फेसशिल्डच्या पारदर्शकतेवर काहीही परिणाम होत नाही असे त्यांच्या प्रयोगांमधून दिसून येते.
लेप दिलेल्या आणि न दिलेल्या अशा दोन्ही प्रकारच्या फेसशिल्ड्सची आर्द्रणीयता (ओले होण्याचे प्रमाण), पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा आणि प्रकाशीय पारेषण गुणधर्म यांचे मूल्यमापन संशोधकांनी केले. लेपाची चाचणी करण्यासाठी व त्याचे गुणधर्म निश्चित करण्यासाठी संशोधकांनी निरायनित पाण्याच्या(ज्या पाण्यातील खनिजद्रव्ये काढून टाकली आहेत असे शुद्ध केलेले पाणी) थेंबांचा उपयोग केला. अति-वेगवान, उच्च वियोजन (रिझोल्युशन) असलेला कॅमेरा वापरून आणि आवश्यक ते सॉफ्टवेअर व विश्लेषण उपकरणे वापरून थेंबांची पृष्ठभागाशी होणारी परस्परक्रिया कशी आहे ते त्यांना दिसून आले.
प्रत्यक्ष श्वसनावाटे बाहेर पडणाऱ्या थेंबांना पर्याय म्हणून प्रयोगाची चाचणी करताना निरायनित पाण्याचा वापर केलेला चालू शकेल का असे विचारल्यावर या शोधनिबंधाचे सहलेखक प्राध्यापक अमित अग्रवाल म्हणतात: “सध्या उपलब्ध असलेल्या माहितीनुसार, श्वसनावाटे बाहेर पडणारे थेंब अतिशय लहान असून त्यांच्यातले लाळेचे आणि क्षारांचे प्रमाण अत्यंत सूक्ष्म असते. त्यामुळे ते विशेष जाणवणारे नसते. म्हणून निरायनित पाणी हा प्रत्यक्ष श्वसनावाटे बाहेर पडणाऱ्या थेंबांशी रचनेच्या आणि गुणधर्मांच्या दृष्टीने जुळणारा चांगला पर्याय आहे.”
पडणाऱ्या थेंबाची आघात गतिकी निश्चित करून तिचे विश्लेषण करण्यासाठी संशोधकांनी वेबर आणि रेनॉल्ड्स क्रमांकांचा वापर केला. थेंबांच्या एकंदर गुणधर्मांमध्ये थेंबाचा आकार, गतिज ऊर्जा, वेग, चिकटपणा, पृष्ठताण आणि इतर भौतिक गुणधर्म यांचा समावेश होतो. वेगवेगळ्या वेगाने जाणाऱ्या थेंबांसाठी लेप दिलेल्या आणि न दिलेल्या अशा दोन्ही प्रकारच्या पृष्ठभागांसाठी केलेल्या मूल्यमापनाची संशोधकांनी तुलना केली.
लेप दिलेल्या पृष्ठभागाची आर्द्रणीयता लेप न दिलेल्या पृष्ठभागापेक्षा बरीच कमी असल्याचे सदर अभ्यासात आढळून आले. लेपामुळे थेंबाच्या पृष्ठभागावर टप्पा पडून उसळी मारण्यासाठी (गतिज प्रतिक्षिप्तता) मदत होऊन थेंब पृष्ठभागापासून प्रतिकर्षित झाले. सुमारे १२ मिलिसेकंदात थेंब फेसशिल्डच्या पृष्ठभागावरून दूर फेकले जातात असे या संशोधनात दिसून आले आहे. तसेच खाली पडत असताना ते पॅराबोलिक (अन्वस्तीय) पथावरून खाली येतात. हे थेंब जितके मोठे असतील तितके ते वेगाने दूर फेकले जातात आणि अनेक लहान लहान थेंबात त्यांचे विभाजन देखील होते.
०.१ मीटर/सेकंद पासून १ मीटर/सेकंदापर्यंत अशा विविध वेगाने येणाऱ्या थेंबांना लेप दिलेल्या पृष्ठभागाचा काय प्रतिसाद होता याचे मूल्यमापन देखील संशोधकांनी केले. त्यामुळे पावसाळ्यात जेव्हा पाण्याचे थेंब पृष्ठभागावर अधिक वेगाने पडत असतात तेव्हा काय होईल हेही बघता आले. “पाऊस पडत असतानादेखील हा लेप थेंबांना परतवून लावतो आणि फेसशिल्डच्या दृश्यमानतेवर परिणाम होत नाही,” असे सुधारित फेसशिल्डचा आणखी एक फायदा अधोरेखित करत शोधनिबंधाचे लेखक सांगतात.