Le mécanisme de protection intelligent des membranes de nanotubes réactives contre les menaces environnementales. L'effondrement des chaînes polymères d'actionnement sur la surface de la membrane contaminée empêche les agents neurotoxiques comme le sarin d'entrer dans les pores du SWCNT. Dans un environnement sécuritaire, les chaînes polymères réactives restent allongées et permettent un transport rapide de la vapeur d'eau, conférant ainsi une respirabilité élevée au matériau de la membrane. Crédit :Ryan Chen/LLNL
Des événements récents tels que la pandémie de COVID-19 et l'utilisation d'armes chimiques dans le conflit en Syrie ont rappelé brutalement la pléthore de menaces chimiques et biologiques que les soldats, le personnel médical et les premiers intervenants sont confrontés lors des opérations de routine et d'urgence.
La sécurité des personnes repose sur des équipements de protection qui, Malheureusement, laisse encore beaucoup à désirer. Par exemple, haute respirabilité (c'est-à-dire le transfert de vapeur d'eau du corps du porteur vers le monde extérieur) est essentiel dans les uniformes militaires de protection pour éviter le stress thermique et l'épuisement lorsque les soldats sont engagés dans des missions dans des environnements contaminés. Les mêmes matériaux (adsorbants ou couches barrières) qui assurent la protection des vêtements actuels inhibent également de manière préjudiciable la respirabilité.
Pour relever ces défis, une équipe multi-institutionnelle de chercheurs dirigée par le scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Francesco Fornasiero a développé une puce, tissu respirant conçu pour protéger le porteur contre les agents de guerre biologiques et chimiques. Un matériau de ce type pourrait également être utilisé dans des contextes cliniques et médicaux. L'ouvrage a été récemment publié en ligne dans Matériaux fonctionnels avancés et représente la réussite de la phase I du projet, qui est financé par la Defense Threat Reduction Agency via le Dynamic Multifunctional Materials for a Second Skin "D[MS] 2 " programme.
« Nous avons démontré un matériau intelligent à la fois respirant et protecteur en combinant avec succès deux éléments clés :une couche de membrane de base comprenant des milliards de pores de nanotubes de carbone alignés et une couche de polymère sensible aux menaces greffée sur la surface de la membrane, " dit Fornasiero.
Ces nanotubes de carbone (cylindres graphitiques de diamètre supérieur à 5, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain) pourraient facilement transporter des molécules d'eau à l'intérieur tout en bloquant toutes les menaces biologiques, qui ne peut pas passer à travers les pores minuscules. Cette découverte clé a déjà été publiée dans Matériaux avancés .
A gauche, un exemple de stratifié tricouche imitant un vêtement militaire de protection et constitué d'un tissu extérieur en nylon/coton avec un motif de camouflage, une couche intermédiaire protectrice de membrane en nanotubes de carbone, et une doublure de confort en coton. À droite, une représentation schématique du mécanisme de réponse membranaire aux stimuli chimiques environnementaux, dans lequel l'effondrement des chaînes polymères d'actionnement greffées à la surface de la membrane empêche les agents nerveux comme le sarin de pénétrer dans les pores de la membrane. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
L'équipe a montré que le taux de transport de la vapeur d'eau à travers les nanotubes de carbone augmente avec la diminution du diamètre du tube et, pour les plus petites tailles de pores considérées dans l'étude, est si rapide qu'il se rapproche de ce que l'on mesurerait en phase gazeuse en vrac. Cette tendance est surprenante et implique que les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) en tant que pores conducteurs d'humidité surmontent un compromis respirabilité/protection limitant affiché par les matériaux poreux conventionnels, selon Fornasiero. Ainsi, la sélectivité de tamisage et la perméabilité à la vapeur d'eau peuvent être simultanément améliorées en diminuant les diamètres des SWCNT.
Contrairement aux agents biologiques, les menaces chimiques sont plus petites et peuvent passer à travers les pores des nanotubes. Pour ajouter une protection contre les risques chimiques, une couche de chaînes polymères est développée sur la surface du matériau, qui s'effondre réversiblement au contact de la menace, bloquant ainsi temporairement les pores.
"Cette couche dynamique permet au matériau d'être "intelligent" en ce sens qu'il offre une protection uniquement quand et où il est nécessaire, " a déclaré Timothy Swager, un collaborateur du Massachusetts Institute of Technology qui a développé le polymère réactif. Ces polymères ont été conçus pour passer d'un état étendu à un état effondré au contact des menaces organophosphorées, comme le sarin. « Nous avons confirmé que les simulateurs et les agents en direct déclenchent le changement de volume souhaité, " ajouta Swager.
L'équipe a montré que les membranes réactives ont une respirabilité suffisante dans leur état à pores ouverts pour répondre aux exigences des sponsors. A l'état fermé, la perméation de la menace à travers le matériau est considérablement réduite de deux ordres de grandeur. La respirabilité démontrée et les propriétés de protection intelligente de ce matériau devraient se traduire par un confort thermique considérablement amélioré pour l'utilisateur et permettre de prolonger considérablement la durée de port des équipements de protection, que ce soit dans un hôpital ou sur un champ de bataille.
« La sécurité des combattants, le personnel médical et les premiers intervenants lors d'opérations prolongées dans des environnements dangereux s'appuient sur des équipements de protection individuelle qui non seulement protègent mais peuvent également respirer, " a déclaré Kendra McCoy, le responsable du programme DTRA supervisant le projet. "Le programme DTRA Second Skin est conçu pour répondre à ce besoin en soutenant le développement de nouveaux matériaux qui s'adaptent de manière autonome à l'environnement et maximisent à la fois le confort et la protection pendant de nombreuses heures."
Dans la phase suivante du projet, l'équipe visera à incorporer une protection à la demande contre les menaces chimiques supplémentaires et à rendre le matériau extensible pour un meilleur ajustement du corps, imitant ainsi plus étroitement la peau humaine.
