Il meccanismo di protezione intelligente delle membrane di nanotubi reattive contro le minacce ambientali. Il collasso delle catene polimeriche di attivazione sulla superficie della membrana contaminata impedisce agli agenti nervini come il sarin di entrare nei pori SWCNT. In un ambiente sicuro, le catene polimeriche reattive rimangono estese e consentono un rapido trasporto del vapore acqueo, conferendo così un'elevata traspirabilità al materiale della membrana. Credito:Ryan Chen/LLNL
Eventi recenti come la pandemia di COVID-19 e l'uso di armi chimiche nel conflitto siriano hanno fornito un duro promemoria della pletora di minacce chimiche e biologiche che i soldati, il personale medico e i primi soccorritori affrontano durante le operazioni di routine e di emergenza.
La sicurezza del personale si basa su dispositivi di protezione che, Sfortunatamente, lascia ancora molto a desiderare. Per esempio, alta traspirabilità (es. il trasferimento di vapore acqueo dal corpo di chi lo indossa al mondo esterno) è fondamentale nelle divise militari protettive per prevenire lo stress da calore e l'esaurimento quando i soldati sono impegnati in missioni in ambienti contaminati. Gli stessi materiali (adsorbenti o strati barriera) che forniscono protezione negli indumenti attuali inibiscono anche negativamente la traspirazione.
Per affrontare queste sfide, un team multi-istituzionale di ricercatori guidato dallo scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Francesco Fornasiero ha sviluppato un intelligente, tessuto traspirante progettato per proteggere chi lo indossa dagli agenti di guerra biologica e chimica. Materiale di questo tipo potrebbe essere utilizzato anche in ambito clinico e medico. L'opera è stata recentemente pubblicata online in Materiali funzionali avanzati e rappresenta il positivo completamento della Fase I del progetto, che è finanziato dalla Defense Threat Reduction Agency attraverso i Dynamic Multifunctional Materials for a Second Skin "D[MS] 2 " programma.
"Abbiamo dimostrato un materiale intelligente che è sia traspirante che protettivo combinando con successo due elementi chiave:uno strato di membrana di base che comprende trilioni di pori di nanotubi di carbonio allineati e uno strato polimerico sensibile alle minacce innestato sulla superficie della membrana, " Disse Fornasiero.
Questi nanotubi di carbonio (cilindri di grafite con diametri superiori a 5, 000 volte più piccolo di un capello umano) potrebbero facilmente trasportare molecole d'acqua attraverso i loro interni, bloccando anche tutte le minacce biologiche, che non può passare attraverso i piccoli pori. Questa scoperta chiave è stata precedentemente pubblicata in Materiale avanzato .
A sinistra, un esempio di laminato a tre strati che imita un indumento militare protettivo e costituito da un tessuto esterno in nylon/cotone con motivo mimetico, uno strato protettivo intermedio di membrana di nanotubi di carbonio, e una fodera comfort in cotone. A destra, una rappresentazione schematica del meccanismo di risposta della membrana agli stimoli chimici ambientali, in cui il collasso delle catene polimeriche di attivazione innestate sulla superficie della membrana impedisce agli agenti nervini come il sarin di entrare nei pori della membrana. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Il team ha dimostrato che la velocità di trasporto del vapore acqueo attraverso i nanotubi di carbonio aumenta con la diminuzione del diametro del tubo e, per le dimensioni dei pori più piccole considerate nello studio, è così veloce che si avvicina a ciò che si misurerebbe nella fase gassosa. Questa tendenza è sorprendente e implica che i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) come pori conduttivi per l'umidità superano un compromesso limitante tra traspirabilità/protezione mostrato dai materiali porosi convenzionali, secondo Fornasiero. Così, la selettività al setaccio dimensionale e la permeabilità al vapore acqueo possono essere simultaneamente aumentate diminuendo i diametri SWCNT.
Contrariamente agli agenti biologici, le minacce chimiche sono più piccole e possono passare attraverso i pori dei nanotubi. Per aggiungere protezione contro i rischi chimici, uno strato di catene polimeriche è cresciuto sulla superficie del materiale, che crolla reversibilmente a contatto con la minaccia, bloccando così temporaneamente i pori.
"Questo strato dinamico consente al materiale di essere "intelligente" in quanto fornisce protezione solo quando e dove è necessario, " disse Timothy Swager, un collaboratore del Massachusetts Institute of Technology che ha sviluppato il polimero reattivo. Questi polimeri sono stati progettati per passare da uno stato esteso a uno stato collassato a contatto con minacce di organofosfati, come il Sarin. "Abbiamo confermato che sia i simulanti che gli agenti attivi attivano la variazione di volume desiderata, "Ha aggiunto Swager.
Il team ha dimostrato che le membrane reattive hanno una traspirabilità sufficiente nel loro stato a pori aperti per soddisfare i requisiti dello sponsor. Nello stato chiuso, la permeazione della minaccia attraverso il materiale è drasticamente ridotta di due ordini di grandezza. Si prevede che le dimostrate proprietà di traspirabilità e protezione intelligente di questo materiale si traducano in un comfort termico significativamente migliorato per l'utente e consentano di prolungare notevolmente il tempo di usura degli indumenti protettivi, sia in un ospedale che in un campo di battaglia.
"La sicurezza dei combattenti, il personale medico e i primi soccorritori durante operazioni prolungate in ambienti pericolosi si affida a dispositivi di protezione individuale che non solo proteggono ma anche respirano, "ha detto Kendra McCoy, il program manager DTRA che sovrintende al progetto. "Il programma DTRA Second Skin è progettato per rispondere a questa esigenza supportando lo sviluppo di nuovi materiali che si adattano autonomamente all'ambiente e massimizzano sia il comfort che la protezione per molte ore."
Nella fase successiva del progetto, il team mirerà a incorporare una protezione su richiesta contro ulteriori minacce chimiche e rendere il materiale elastico per una migliore vestibilità del corpo, imitando così più da vicino la pelle umana.
