p O mecanismo de proteção inteligente de membranas de nanotubos responsivas contra ameaças ambientais. O colapso das cadeias poliméricas atuantes na superfície da membrana contaminada impede que agentes nervosos como o sarin entrem nos poros do SWCNT. Em um ambiente seguro, as cadeias de polímero responsivo permanecem estendidas e permitem o transporte rápido de vapor de água, conferindo assim alta respirabilidade ao material da membrana. Crédito:Ryan Chen / LLNL
p Eventos recentes, como a pandemia COVID-19 e o uso de armas químicas no conflito na Síria, forneceram um lembrete gritante da abundância de ameaças químicas e biológicas que os soldados, o pessoal médico e os primeiros respondentes enfrentam durante as operações de rotina e de emergência. p A segurança do pessoal depende de equipamentos de proteção que, Infelizmente, ainda deixa muito a desejar. Por exemplo, respirabilidade elevada (ou seja, a transferência de vapor de água do corpo do usuário para o mundo exterior) é crítica em uniformes militares de proteção para evitar estresse por calor e exaustão quando os soldados estão engajados em missões em ambientes contaminados. Os mesmos materiais (adsorventes ou camadas de barreira) que fornecem proteção nas roupas atuais também inibem a respirabilidade.
p Para enfrentar esses desafios, uma equipe multiinstitucional de pesquisadores liderada pelo cientista Francesco Fornasiero do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) desenvolveu um tecido respirável projetado para proteger o usuário contra agentes biológicos e químicos de guerra. O material desse tipo também pode ser usado em ambientes clínicos e médicos. O trabalho foi publicado recentemente online em
Materiais Funcionais Avançados e representa a conclusão bem-sucedida da Fase I do projeto, que é financiado pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa por meio dos Materiais Multifuncionais Dinâmicos para uma Segunda Pele "D [MS]
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" programa.
p "Demonstramos um material inteligente que é respirável e protetor, combinando com sucesso dois elementos-chave:uma camada de membrana de base que compreende trilhões de poros de nanotubos de carbono alinhados e uma camada de polímero responsivo a ameaças enxertada na superfície da membrana, "Fornasiero disse.
p Esses nanotubos de carbono (cilindros grafíticos com diâmetros superiores a 5, 000 vezes menor que um fio de cabelo humano) poderia facilmente transportar moléculas de água através de seu interior, ao mesmo tempo que bloqueava todas as ameaças biológicas, que não consegue passar pelos minúsculos poros. Esta descoberta importante foi publicada anteriormente em
Materiais avançados .
p À esquerda, um exemplo de laminado de três camadas que imita uma vestimenta militar de proteção e consiste em um tecido externo de náilon / algodão com um padrão de camuflagem, uma camada de membrana de nanotubo de carbono protetora intermediária, e um forro de conforto de algodão. Para a direita, uma representação esquemática do mecanismo de resposta da membrana a estímulos químicos ambientais, em que o colapso das cadeias poliméricas atuantes enxertadas na superfície da membrana evita que agentes nervosos como o sarin entrem nos poros da membrana. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
p A equipe mostrou que a taxa de transporte de vapor de água através dos nanotubos de carbono aumenta com a diminuição do diâmetro do tubo e, para os menores tamanhos de poros considerados no estudo, é tão rápido que se aproxima do que seria medido na fase de gás em massa. Esta tendência é surpreendente e implica que os nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) como poros condutores de umidade superam um compromisso de respirabilidade / proteção exibido por materiais porosos convencionais, de acordo com Fornasiero. Assim, a seletividade de peneiramento de tamanho e a permeabilidade ao vapor de água podem ser aumentadas simultaneamente diminuindo os diâmetros SWCNT.
p Ao contrário dos agentes biológicos, ameaças químicas são menores e podem passar pelos poros dos nanotubos. Para adicionar proteção contra perigos químicos, uma camada de cadeias de polímero é crescida na superfície do material, que colapsa reversivelmente em contato com a ameaça, bloqueando temporariamente os poros.
p "Esta camada dinâmica permite que o material seja 'inteligente', pois fornece proteção apenas quando e onde for necessário, "disse Timothy Swager, um colaborador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que desenvolveu o polímero responsivo. Esses polímeros foram projetados para a transição de um estado estendido para um estado colapsado em contato com ameaças de organofosforados, como sarin. "Confirmamos que tanto os simuladores quanto os agentes ao vivo acionam a mudança de volume desejada, "Swager adicionado.
p A equipe mostrou que as membranas responsivas têm respirabilidade suficiente em seu estado de poros abertos para atender aos requisitos do patrocinador. No estado fechado, a penetração da ameaça através do material é drasticamente reduzida em duas ordens de magnitude. A respirabilidade demonstrada e as propriedades de proteção inteligente deste material devem se traduzir em um conforto térmico significativamente melhor para o usuário e permitir estender muito o tempo de uso das engrenagens de proteção, seja em um hospital ou campo de batalha.
p "A segurança dos combatentes, a equipe médica e os primeiros respondentes durante operações prolongadas em ambientes perigosos contam com equipamentos de proteção individual que não apenas protegem, mas também podem respirar, "disse Kendra McCoy, o gerente do programa DTRA supervisionando o projeto. "O programa DTRA Second Skin foi projetado para atender a essa necessidade, apoiando o desenvolvimento de novos materiais que se adaptam autonomamente ao ambiente e maximizam o conforto e a proteção por muitas horas."
p Na próxima fase do projeto, a equipe terá como objetivo incorporar proteção sob demanda contra ameaças químicas adicionais e tornar o material extensível para um melhor ajuste ao corpo, assim, imitando mais de perto a pele humana.
