Framtidens militära uniformer kan erbjuda ett nytt lager av kritiskt skydd för bärare tack vare forskning av team vid University of Massachusetts Amherst och flera andra institutioner som utvecklar ett nanorörsbaserat tyg som stöter bort kemiska och biologiska ämnen.

UMass Amherst polymerforskare Kenneth Carter och James Watkins, samarbetar med teamledaren Francesco Fornasiero från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), fick nyligen ett femårigt anslag på 1,8 miljoner dollar för att designa sätt att tillverka det nya materialet som en del av ett projekt på 13 miljoner dollar finansierat av U.S. Defense Threat Reduction Agency. Det uppskattas att de nya uniformerna skulle kunna sättas in på fältet på mindre än 10 år.

Forskarna säger att tyget kommer att kunna växla reversibelt från ett mycket andningsbart tillstånd till ett skyddande som svar på närvaron av miljöhotet utan behov av ett externt kontrollsystem. I skyddstillstånd, det enhetliga materialet blockerar det kemiska hotet samtidigt som det bibehåller en god andningsförmåga. "Uniformen kommer att vara som en smart andra hud som reagerar på miljön, säger Fornasiero.

UMass Amherst polymerforskare tillför projektet expertis inom additivdrivna monteringsprocesser som för samman polymerer och nanopartiklar för att producera hybridfunktionella material. Membran- och lagertillverkning kommer delvis att ske genom universitetets Roll-to-Roll Nanofabrication Laboratory.

Det nya tygets reversibilitet beror på mycket andningsbara membran med porer gjorda av några nanometer breda, vertikalt inriktade kolnanorör modifierade med ett funktionellt ytskikt utformat för att svara på närvaron av ett kemiskt krigsmedel, säger Watkins på UMass Amherst. Hotreaktionen skulle utlösas av en direkt attack av kemisk krigföring. Tyget skulle växla till ett skyddande tillstånd genom att stänga poringången eller genom att ta bort det förorenade ytskiktet.

För användarens komfort och säkerhet, hög andningsförmåga är ett kritiskt krav för skyddskläder för att förhindra värmestress när militär personal är engagerad i uppdrag i förorenade miljöer. För att ge hög andningsförmåga, det nya kompositmaterialet kommer att dra fördel av de unika transportegenskaperna hos kolnanorörporer, som erbjuder gastransporthastigheter två storleksordningar snabbare än någon annan por av liknande storlek.

Polymerforskarna påpekar att biologiska ämnen som bakterier och virus är nära 10 nanometer stora. Eftersom membranporerna på uniformen bara är några nanometer breda, dessa membran kommer att blockera sådana medel.

Dock, kemiska medel som senapsgas och nervgas kan vara mycket mindre och kräver att membranporerna ska kunna reagera för att blockera det hotet. För att skapa ett multifunktionellt membran, forskargruppen planerar att modifiera ytan på den ursprungliga prototypen av kolnanorörsmembran med funktionella grupper som är känsliga för kemiska hot. Dessa funktionella grupper känner och blockerar hotet som grindvakter vid ingången.

Forskarna planerar också att utveckla en andra, "shedding"-svarsschema där tyget exfolierar vid rekation med ett kemiskt medel. På det här sättet, tyget kommer att kunna blockera kemiska medel som svavelsenap (blistermedel), GD och VX nervmedel, toxiner som stafylokock enterotoxin och biologiska sporer som mjältbrand.

Carter vid UMass Amherst säger, "Att efterlikna hur verklig hud reagerar på hot genom exfoliering och avfall av förorenade områden kommer att möjliggöra ett dynamiskt känsligt plagg, allt uppnås genom kontrollerade kemiska reaktioner i detta nya avancerade tyg."

Tracee Harris, vetenskaps- och teknikchef för programmet Dynamic Multifunctional Material for a Second Skin, säger, "Utveckling av kemiska hot-känsliga kolnanorörsmembran är ett utmärkt exempel på ett nytt materials potential att tillhandahålla innovativa lösningar för försvarsdepartementets CB-behov. Denna futuristiska uniform skulle göra det möjligt för våra militära styrkor att operera säkert under längre tidsperioder och framgångsrikt slutföra sina uppdrag i miljöer som är förorenade med kemiska och biologiska stridsmedel."