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智能防护材料来了可根据环境变化,防止化学,生物制剂的伤害!

乐鱼体育APP下载 动态 2021-09-17 16:06

在很多例如消防、实验室、医务人员和急救人员在例行和紧急行动中面临过多的化学和生物威胁。人员安全有赖于防护装备,不幸的是,防护装备仍有许多不尽如人意之处。例如,高透气性(即,将水蒸气从穿着者的身体转移到外部世界)对于防护性军服至关重要,以防止士兵在受污染的环境中执行任务时出现热应激和疲惫。在当前服装中提供保护的相同材料(吸附剂或阻隔层)也会有害地抑制透气性。

为了应对这些挑战,由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)科学家弗朗西斯科·福纳西罗(Francesco Fornasiero)领导的多机构研究小组开发出了一种智能、透气的面料,旨在保护穿着者免受生物和化学战剂的伤害。这类材料也可用于临床和医疗环境其研究成果发表在《高级功能材料》期刊上,代表着该项目第一阶段的成功完成。研究通过成功地结合两个关键元素,展示了一种既透气又具有保护作用的智能材料:

由数万亿个排列的碳纳米管孔组成的基膜层和嫁接到膜表面的威胁响应聚合物层。这些碳纳米管(直径比人类头发小5000多倍的石墨圆柱体)可以很容易地将水分子通过其内部,同时还可以阻止所有无法穿过微小毛孔的生物威胁。。研究已经证明,通过碳纳米管的水蒸气传输速率,随着管子直径的减小而增加,对于研究中考虑的最小孔径而言,其速度如此之快,以至于接近人们在大块气相中测量的速度。

这一趋势令人惊讶,表明作为导湿孔的单壁碳纳米管(SWCNTs)克服了传统多孔材料表现出的有限的透气性/保护权衡。因此,减小SWCNT直径可以同时提高筛分选择性和水蒸气透过性。与生物制剂相反,化学威胁更小,可以穿过纳米管孔。为了增加对化学危害的保护,材料表面生长了一层聚合物链,与威胁接触后可逆地坍塌,从而暂时堵塞了毛孔。麻省理工学院合作者蒂莫西·斯威格(Timothy Swager)开发了这种响应性聚合物,他说:

这种动态层让材料变得‘智能’,因为它只在需要的时候和地点提供保护。这些聚合物的设计目的是在接触到有机磷威胁(如沙林)时,从延伸状态转变为塌陷状态,研究证实,模拟和实际现场都会触发所需的变化。研究小组表明,响应性薄膜在开孔状态下具有足够的透气性,可以满足设计要求。在封闭状态下,通过材料的威胁渗透量大大降低了两个数量级。这种材料展示的透气性和智能保护特性有望显著改善用户的热舒适性,并能够极大地延长防护装备的穿戴时间。

负责监督该项目的DTRA项目经理肯德拉·麦考伊(Kendra McCoy)说:在危险环境中的长期行动中,战斗人员、医务人员和急救人员的安全取决于个人防护装备,这些装备不仅可以保护,还可以呼吸。DTRA Second Skin计划旨在通过支持自主适应环境的新材料开发来满足这一需求,并在长达数小时的时间内最大限度地提高舒适性和保护性。在该项目的下一阶段,目标是纳入针对额外化学威胁的按需保护,并使材料可拉伸,从而人类皮肤,以使身体更健康。

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