Recente gebeurtenissen zoals de COVID-19-pandemie en het gebruik van chemische wapens in het conflict in Syrië hebben een sterke herinnering gegeven aan de overvloed aan chemische en biologische bedreigingen die soldaten, medisch personeel en eerstehulpverleners worden geconfronteerd tijdens routine- en noodoperaties.

De veiligheid van het personeel is afhankelijk van beschermende uitrusting die, helaas, laat nog veel te wensen over. Bijvoorbeeld, hoog ademend vermogen (d.w.z. de overdracht van waterdamp van het lichaam van de drager naar de buitenwereld) is van cruciaal belang in beschermende militaire uniformen om hittestress en uitputting te voorkomen wanneer soldaten betrokken zijn bij missies in besmette omgevingen. Dezelfde materialen (adsorbentia of barrièrelagen) die bescherming bieden in huidige kleding, remmen ook het ademend vermogen op nadelige wijze.

Om deze uitdagingen aan te gaan, een multi-institutioneel team van onderzoekers onder leiding van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wetenschapper Francesco Fornasiero heeft een slimme, ademende stof ontworpen om de drager te beschermen tegen biologische en chemische strijdmiddelen. Materiaal van dit type zou ook in klinische en medische omgevingen kunnen worden gebruikt. Het werk is onlangs online gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen en vertegenwoordigt de succesvolle voltooiing van fase I van het project, die wordt gefinancierd door het Defense Threat Reduction Agency via de Dynamic Multifunctional Materials for a Second Skin "D[MS] ² " programma.

"We hebben een slim materiaal gedemonstreerd dat zowel ademend als beschermend is door met succes twee belangrijke elementen te combineren:een basismembraanlaag bestaande uit triljoenen uitgelijnde koolstof nanobuisporiën en een op bedreigingen reagerende polymeerlaag die op het membraanoppervlak is geënt, ' zei Fornasiero.

Deze koolstofnanobuisjes (grafietcilinders met een diameter van meer dan 5, 000 keer kleiner dan een mensenhaar) kunnen gemakkelijk watermoleculen door hun binnenste transporteren en tegelijkertijd alle biologische bedreigingen blokkeren, die niet door de kleine poriën passen. Deze belangrijke bevinding werd eerder gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Het team heeft aangetoond dat de transportsnelheid van vochtdamp door koolstofnanobuizen toeneemt met afnemende buisdiameter en, voor de kleinste poriegroottes die in de studie werden overwogen, is zo snel dat het in de buurt komt van wat men zou meten in de bulkgasfase. Deze trend is verrassend en houdt in dat enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) als vochtgeleidende poriën een beperkende afweging van ademend vermogen / bescherming overwinnen die wordt weergegeven door conventionele poreuze materialen, volgens Fornasiero. Dus, grootte-zevende selectiviteit en waterdampdoorlaatbaarheid kunnen tegelijkertijd worden verbeterd door SWCNT-diameters te verkleinen.

In tegenstelling tot biologische agentia, chemische bedreigingen zijn kleiner en kunnen door de poriën van de nanobuisjes passen. Om bescherming tegen chemische gevaren toe te voegen, een laag polymeerketens wordt op het materiaaloppervlak gekweekt, die omkeerbaar instort in contact met de dreiging, waardoor de poriën tijdelijk worden geblokkeerd.

"Deze dynamische laag zorgt ervoor dat het materiaal 'slim' is omdat het alleen bescherming biedt wanneer en waar het nodig is, " zei Timothy Swager, een medewerker van het Massachusetts Institute of Technology die het responsieve polymeer ontwikkelde. Deze polymeren zijn ontworpen om over te gaan van een uitgerekte naar een ingeklapte toestand in contact met organofosfaatbedreigingen, zoals sarin. "We hebben bevestigd dat zowel simulanten als live-agents de gewenste volumeverandering activeren, ' voegde Swager eraan toe.

Het team toonde aan dat de responsieve membranen voldoende ademend zijn in hun staat met open poriën om aan de eisen van de sponsor te voldoen. In de gesloten toestand, de dreigingspermeatie door het materiaal wordt drastisch verminderd met twee ordes van grootte. Het aangetoonde ademend vermogen en de slimme beschermende eigenschappen van dit materiaal zullen naar verwachting leiden tot een aanzienlijk verbeterd thermisch comfort voor de gebruiker en het mogelijk maken om de draagtijd van beschermende kleding aanzienlijk te verlengen, of het nu in een ziekenhuis of op het slagveld is.

"De veiligheid van strijders, medisch personeel en eerstehulpverleners tijdens langdurige operaties in gevaarlijke omgevingen vertrouwen op persoonlijke beschermingsmiddelen die niet alleen beschermen, maar ook kunnen ademen, " zei Kendra McCoy, de DTRA-programmamanager die toezicht houdt op het project. "Het DTRA Second Skin-programma is ontworpen om aan deze behoefte te voldoen door de ontwikkeling van nieuwe materialen te ondersteunen die zich autonoom aanpassen aan de omgeving en zowel comfort als bescherming gedurende vele uren maximaliseren."

In de volgende fase van het project, het team zal ernaar streven om on-demand bescherming tegen extra chemische bedreigingen op te nemen en het materiaal rekbaar te maken voor een betere pasvorm, dus beter nabootsen van de menselijke huid.