Zweite Haut schützt vor chemischen Waffen, biologischen Kampfstoffen

0

Auf intelligenten Schutz reagierende Nanoröhrenmembranen

Der intelligente Schutzmechanismus ansprechender Nanoröhrenmembranen gegen Umweltbedrohungen. Das Zusammenfallen von betätigenden Polymerketten auf der kontaminierten Membranoberfläche verhindert, dass Nervenstoffe wie Sarin in die SWCNT-Poren gelangen. In einer sicheren Umgebung bleiben die ansprechenden Polymerketten verlängert und ermöglichen einen schnellen Transport von Wasserdampf, wodurch dem Membranmaterial eine hohe Atmungsaktivität verliehen wird. Bildnachweis: Ryan Chen / LLNL.

Aktuelle Ereignisse wie die COVID-19 Die Pandemie und der Einsatz chemischer Waffen im Syrienkonflikt erinnern stark an die Fülle chemischer und biologischer Bedrohungen, denen Soldaten, medizinisches Personal und Ersthelfer bei Routine- und Notfalloperationen ausgesetzt sind.

Die Sicherheit des Personals beruht auf Schutzausrüstung, die leider noch zu wünschen übrig lässt. Zum Beispiel ist eine hohe Atmungsaktivität (d. H. Die Übertragung von Wasserdampf vom Körper des Trägers nach außen) beim Schutz von Militäruniformen entscheidend, um Hitzestress und Erschöpfung zu verhindern, wenn Soldaten in kontaminierten Umgebungen eingesetzt werden. Dieselben Materialien (Adsorbentien oder Barriereschichten), die in aktuellen Kleidungsstücken Schutz bieten, beeinträchtigen auch die Atmungsaktivität nachteilig.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat ein multi-institutionelles Forscherteam unter der Leitung des Wissenschaftlers Francesco Fornasiero vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ein intelligentes, atmungsaktives Gewebe entwickelt, das den Träger vor biologischen und chemischen Kampfstoffen schützt. Material dieses Typs könnte auch in klinischen und medizinischen Umgebungen verwendet werden. Die Arbeit wurde kürzlich online in veröffentlicht Erweiterte Funktionsmaterialien und stellt den erfolgreichen Abschluss von Phase I des Projekts dar, das von der Defense Threat Reduction Agency durch die dynamischen multifunktionalen Materialien für eine zweite Haut finanziert wird. “D.[MS]2” Programm.

“Wir haben ein intelligentes Material demonstriert, das sowohl atmungsaktiv als auch schützend ist, indem wir zwei Schlüsselelemente erfolgreich kombiniert haben: eine Basismembranschicht aus Billionen ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhrenporen und eine auf Bedrohungen reagierende Polymerschicht, die auf die Membranoberfläche gepfropft ist”, sagte Fornasiero.

Diese Kohlenstoffnanoröhren (Graphitflaschen mit Durchmessern, die mehr als 5.000 Mal kleiner sind als ein menschliches Haar) könnten leicht Wassermoleküle durch ihre Innenräume transportieren und gleichzeitig alle biologischen Bedrohungen blockieren, die nicht durch die winzigen Poren passen. Diese wichtige Erkenntnis wurde bereits in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

Das Team hat gezeigt, dass die Transportrate von Feuchtigkeitsdämpfen durch Kohlenstoffnanoröhren mit abnehmendem Rohrdurchmesser zunimmt und bei den kleinsten in der Studie berücksichtigten Porengrößen so schnell ist, dass sie sich dem annähert, was man in der Massengasphase messen würde. Dieser Trend ist überraschend und impliziert, dass einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) als feuchtigkeitsleitende Poren laut Fornasiero einen begrenzten Kompromiss zwischen Atmungsaktivität und Schutz überwinden, den herkömmliche poröse Materialien aufweisen. Somit können die Größensiebselektivität und die Wasserdampfdurchlässigkeit gleichzeitig durch Verringern der SWCNT-Durchmesser verbessert werden.

Trilayer Laminat Militärschutzkleidung

Links ein Beispiel für ein dreischichtiges Laminat, das ein militärisches Schutzkleidungsstück nachahmt und aus einem Nylon / Baumwolle-Außenschalengewebe mit Tarnmuster, einer dazwischenliegenden Schutzschicht aus Kohlenstoffnanoröhren und einem Baumwoll-Komfortfutter besteht. Rechts eine schematische Darstellung des Membranreaktionsmechanismus auf chemische Umweltreize, bei der der Zusammenbruch von auf die Membranoberfläche gepfropften betätigenden Polymerketten verhindert, dass Nervenstoffe wie Sarin in die Membranporen gelangen. Bildnachweis: LLNL

Im Gegensatz zu biologischen Arbeitsstoffen sind chemische Bedrohungen geringer und können durch die Poren der Nanoröhren passen. Um den Schutz vor chemischen Gefahren zu erhöhen, wird auf der Materialoberfläche eine Schicht aus Polymerketten gewachsen, die bei Kontakt mit der Bedrohung reversibel zusammenbricht und so die Poren vorübergehend blockiert.

“Diese dynamische Schicht ermöglicht es dem Material,” intelligent “zu sein, da es nur dann Schutz bietet, wenn und wo es benötigt wird”, sagte Timothy Swager, ein Mitarbeiter des Massachusetts Institute of Technology, der das ansprechende Polymer entwickelt hat. Diese Polymere wurden entwickelt, um in Kontakt mit Organophosphat-Bedrohungen wie Sarin von einem ausgedehnten in einen kollabierten Zustand überzugehen. “Wir haben bestätigt, dass sowohl Simulanzien als auch lebende Agenten die gewünschte Volumenänderung auslösen”, fügte Swager hinzu.

Das Team zeigte, dass die ansprechenden Membranen in ihrem Zustand mit offenen Poren eine ausreichende Atmungsaktivität aufweisen, um die Sponsorenanforderungen zu erfüllen. Im geschlossenen Zustand wird die Bedrohungspermeation durch das Material drastisch um zwei Größenordnungen reduziert. Es wird erwartet, dass die nachgewiesene Atmungsaktivität und die intelligenten Schutzeigenschaften dieses Materials zu einem deutlich verbesserten thermischen Komfort für den Benutzer führen und es ermöglichen, die Tragezeit von Schutzausrüstungen in Krankenhäusern oder auf Schlachtfeldern erheblich zu verlängern.

“Die Sicherheit von Kriegskämpfern, medizinischem Personal und Ersthelfern bei längeren Einsätzen in gefährlichen Umgebungen hängt von persönlicher Schutzausrüstung ab, die nicht nur schützt, sondern auch atmen kann”, sagte Kendra McCoy, die DTRA-Programmmanagerin, die das Projekt überwacht. „Das DTRA Second Skin-Programm wurde entwickelt, um diesem Bedarf gerecht zu werden, indem die Entwicklung neuer Materialien unterstützt wird, die sich autonom an die Umwelt anpassen und für viele Stunden sowohl Komfort als auch Schutz maximieren.“

In der nächsten Phase des Projekts wird das Team versuchen, den On-Demand-Schutz vor zusätzlichen chemischen Bedrohungen zu integrieren und das Material für eine bessere Körperanpassung dehnbar zu machen, wodurch die menschliche Haut besser nachgeahmt wird.

Verweise:

“Autonom reagierende Membranen für den Schutz vor chemischer Kriegsführung” von Yifan Li, Chiatai Chen, Eric R. Meshot, Steven F. Buchsbaum, Myles Herbert, Rong Zhu, Oleg Kulikov, Ben McDonald, Ngoc TN Bui, Melinda L. Jue, Sei Jin Park Carlos A. Valdez, Saphon Hok, Qilin He, Christopher J. Doona, Kuang Jen Wu, Timothy M. Swager und Francesco Fornasiero, 27. April 2020, Erweiterte Funktionsmaterialien.
DOI: 10.1002 / adfm.202000258

„Ultrabreathable and Protective Membranes with Sub-5 nm Carbon Nanotube Poren“ von Ngoc Bui, Eric R. Meshot, Sangil Kim, José Peña, Phillip W. Gibson, Kuang Jen Wu und Francesco Fornasiero, 9. Mai 2016, Fortgeschrittene Werkstoffe.
DOI: 10.1002 / adma.201600740

Zu dieser Arbeit haben auch die LLNL-Forscher Chiatai Chen, Eric Meshot, Steven Buchsbaum, Ngoc Bui, Melinda Jue, Sei Jin Park, Carlos Valdez, Saphon Hok und Kuang Jen Wu sowie Mitarbeiter des Massachusetts Institute of Technology (Yifan Li, Myles) beigetragen Herbert, Rong Zhu, Oleg Kulikov, Ben McDonald, Qilin He) und das US Army Combat Capabilities Development Command.

Share.

Comments are closed.