科学家开发一种智能透气面料可有效抵御生化战剂侵害

最近发生的事件，如COVID-19大流行病和在叙利亚冲突中使用化学武器等事件，都清楚地提醒人们，士兵、医务人员和急救人员在日常和紧急行动中面临着大量的化学和生物威胁。

人员安全有赖于防护装备，但不幸的是，防护装备仍有许多不足之处。例如，当士兵在受污染的环境中执行任务时，高透气性(即水蒸气从穿戴者的身体向外界转移)是防护性军服的关键，以防止士兵在受污染的环境中执行任务时的热应激和疲惫。目前服装中提供的保护材料（吸附剂或阻隔层）也会对透气性产生不利影响。

高透气性是防护服的关键，能让士兵在污染环境中执行任务时免于身体过热，浪费精力。目前的军用防护服是基于重量级的全屏障保护，或是渗透吸附保护，无法同时满足舒适和保护功能两方面要求。而且对环境危险是被动应对，而不是主动防御。

为了应对这些挑战，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）、麻省理工学院等多家机构研究人员正在为军方开发一种新型制服，这种制服的布料用一种新型碳纳米管纤维制成，可防御化学和生物武器。新材料利用了碳纳米管独特的传导性，气体传导速度比其他同样大小的孔要高两个数量级。研究人员展示了一小块碳纳米管膜的样本，膜上的孔微小而密集，表现出极佳的透气性。

这种智能透气面料能从透气状态迅速转变到防护状态，它的膜上有许多微孔，由仅几纳米宽的垂直对称的碳纳米管（CNT）构成，高度透气，并用一种化学制剂反应功能层进行了改良。如果直接用化学战剂攻击膜表面，就会引发反应，关闭CNT微孔或让被污染的表面层脱落，使纤维转变为防护状态。

生物制剂如细菌或病毒，大小都在10纳米左右，而制服膜上的微孔仅几个纳米宽，能很容易地挡住它们。但化学制剂要小得多，要求膜上的微孔能做出反应封锁威胁。他们用化学威胁反应功能组对碳纳米管膜进行了改良。这种功能组就像门卫一样，能感知并阻止危险。随后还有二级反应，纤维和化学制剂反应后，会像鳞片那样一片片剥落下来。通过这些方式，该纤维能挡住化学制剂如芥子气、神经毒气、有毒物质如葡萄球菌肠毒素、生物孢子如炭疽等。

这种材料也可用于临床和医疗领域。这项研究工作标志着该项目第一阶段的工作已经顺利完成，该项目由国防威胁削减局通过 “动态多功能材料第二皮肤 “D[MS]2计划资助。之前我们也分享有关透气材料的文章，如:透气电子材料为更实用的可穿戴技术铺平了道路。

该研究小组表明，通过碳纳米管的水汽运输速率随着管径的减小而增加，对于研究中考虑的最小孔隙尺寸，其速度快到接近人们在体气相测量的速度。Fornasiero表示，这种趋势令人惊讶，并意味着单壁碳纳米管(SWCNTs)作为导湿孔，克服了传统多孔材料所表现出的透气性/保护性限制。因此，通过减小SWCNT的粒径，可以同时提高尺寸选择率和水蒸气渗透性。

与生物制剂相反，化学威胁更小，可以通过纳米管的孔隙穿透。为了增加对化学危害的保护，在材料表面生长出一层聚合物链，在与威胁物接触时可逆性地坍塌，从而暂时阻挡了孔隙。

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的合作者蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）开发了这种具有响应性的聚合物，他说：“这种动态层让材料变得‘聪明’，因为它只在需要的时候和需要的地方提供保护。”。这些聚合物被设计成在接触有机磷威胁（如沙林）时从延伸状态过渡到崩塌状态。斯瓦格补充说：“我们确认模拟物和活性剂都会触发所需的体积变化。

研究小组表明，响应膜在开孔状态下具有足够的透气性，以满足赞助商的要求。在封闭状态下，通过材料的威胁渗透显著减少两个数量级。这种材料所表现出的透气性和智能防护性能有望显著改善用户的热舒适性，无论是在医院还是战场上，都能大大延长防护装备的佩戴时间。

在危险环境中长期作战期间，作战人员、医务人员和急救人员的安全取决于个人防护设备，这些设备不仅可以保护，而且可以呼吸。DTRA第二皮肤项目旨在通过支持开发能够自主适应环境的新材料来解决这一需求，并最大限度地提高舒适性和保护性，使其在数小时内都能得到最大限度保护。

在该项目的下一阶段，该团队将致力于按需保护，以抵御更多的化学威胁，并使该材料具有良好的延展性，从而更贴合人体皮肤。

这种由新材料制成的防护制服有望在10年内野外应用。“开发能对化学威胁作出反应的碳纳米管膜，是利用新材料潜能，为国防部提供创新解决方案的好例子。”国防降险署动态多功能材料第二皮肤项目的科技主管崔西·哈里斯说，“这种未来制服能让我们的军队在被生化武器污染了的环境中安全操作更长时间，成功完成他们的任务。”

下载这项研究