Den smarta skyddsmekanismen för responsiva nanorörsmembran mot miljöhot. Kollapsen av aktiva polymerkedjor på den kontaminerade membranytan förhindrar nervämnen som sarin från att komma in i SWCNT-porerna. I en säker miljö, de känsliga polymerkedjorna förblir förlängda och tillåter snabb transport av vattenånga, vilket ger hög andningsförmåga till membranmaterialet. Kredit:Ryan Chen/LLNL
De senaste händelserna som covid-19-pandemin och användningen av kemiska vapen i Syrienkonflikten har gett en skarp påminnelse om den uppsjö av kemiska och biologiska hot som soldater, medicinsk personal och första räddningspersonal möter under rutin- och nödoperationer.
Personalsäkerhet bygger på skyddsutrustning som, tyvärr, lämnar fortfarande mycket övrigt att önska. Till exempel, hög andningsförmåga (dvs. överföringen av vattenånga från bärarens kropp till omvärlden) är avgörande i skyddande militäruniformer för att förhindra värmestress och utmattning när soldater är engagerade i uppdrag i förorenade miljöer. Samma material (adsorbenter eller barriärskikt) som ger skydd i nuvarande plagg hämmar också andningsförmågan.
För att tackla dessa utmaningar, ett multiinstitutionellt team av forskare under ledning av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare Francesco Fornasiero har utvecklat en smart, andningsbart tyg designat för att skydda bäraren mot biologiska och kemiska krigföringsmedel. Material av denna typ kan också användas i kliniska och medicinska miljöer. Verket publicerades nyligen online i Avancerade funktionella material och representerar det framgångsrika slutförandet av fas I av projektet, som finansieras av Defense Threat Reduction Agency genom Dynamic Multifunctional Materials for a Second Skin "D[MS] 2 " program.
"Vi demonstrerade ett smart material som är både andningsbart och skyddande genom att framgångsrikt kombinera två nyckelelement:ett basmembranskikt som består av biljoner av kolnanorör i linje med porer och ett hotreagerande polymerskikt ympat på membranytan, " sa Fornasiero.
Dessa kolnanorör (grafitcylindrar med diametrar mer än 5, 000 gånger mindre än ett människohår) skulle lätt kunna transportera vattenmolekyler genom deras inre samtidigt som de blockerar alla biologiska hot, som inte kan passera genom de små porerna. Detta nyckelfynd har tidigare publicerats i Avancerade material .
Till vänster, ett exempel på treskiktslaminat som efterliknar ett skyddande militärplagg och består av ett yttertyg av nylon/bomull med ett kamouflagemönster, ett mellanliggande skyddande kolnanorörsmembranlager, och ett bekvämt foder i bomull. Till höger, en schematisk representation av membransvarsmekanismen på miljömässiga kemiska stimuli, där kollapsen av aktiva polymerkedjor ympade på membranytan hindrar nervämnen som sarin från att komma in i membranporerna. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Teamet har visat att ångtransporthastigheten genom kolnanorör ökar med minskande rördiameter och, för de minsta porstorlekar som beaktades i studien, är så snabb att den närmar sig vad man skulle mäta i bulkgasfasen. Denna trend är överraskande och innebär att enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) som fuktledande porer övervinner en begränsande avvägning mellan andningsförmåga och skydd som uppvisas av konventionella porösa material, enligt Fornasiero. Således, storlekssiktningsselektivitet och vattenångpermeabilitet kan förbättras samtidigt genom att minska SWCNT-diametrar.
I motsats till biologiska ämnen, kemiska hot är mindre och kan passa genom nanorörets porer. För att lägga till skydd mot kemiska faror, ett lager av polymerkedjor växer på materialytan, som reversibelt kollapsar i kontakt med hotet, blockerar därmed porerna tillfälligt.
"Detta dynamiska lager gör att materialet kan vara "smart" genom att det ger skydd endast när och där det behövs, sa Timothy Swager, en samarbetspartner vid Massachusetts Institute of Technology som utvecklade den responsiva polymeren. Dessa polymerer designades för att övergå från ett utökat till ett kollapsat tillstånd i kontakt med organofosfathot, som sarin. "Vi bekräftade att både simulanter och aktiva agenter utlöser den önskade volymförändringen, " tillade Swager.
Teamet visade att de responsiva membranen har tillräckligt med andningsförmåga i deras öppna porer för att uppfylla sponsorkraven. I stängt tillstånd, hotets genomträngning genom materialet minskar dramatiskt med två storleksordningar. Den påvisade andningsförmågan och smarta skyddsegenskaperna hos detta material förväntas översättas i en avsevärt förbättrad termisk komfort för användaren och möjliggöra avsevärt förlängning av bärtiden för skyddsutrustning, oavsett om det är på sjukhus eller slagfält.
"Säkerheten för krigskämpar, medicinsk personal och första responders under långvariga operationer i farliga miljöer förlitar sig på personlig skyddsutrustning som inte bara skyddar utan också kan andas, sa Kendra McCoy, DTRA-programchefen som övervakar projektet. "DTRA Second Skin-programmet är utformat för att möta detta behov genom att stödja utvecklingen av nya material som anpassar sig autonomt till miljön och maximerar både komfort och skydd under många timmar."
I nästa fas av projektet, Teamet kommer att sträva efter att införliva on-demand-skydd mot ytterligare kemiska hot och göra materialet töjbart för en bättre kroppspassning, sålunda efterliknar den mänskliga huden närmare.
