Аннотация:
Исследователи Северо-Западного университета в США разрабатывают новое тканевое покрытие, которое, как ожидается, позволит защитной одежде не только блокировать опасные химические вещества, но также активно расщеплять и снижать токсичность некоторых высокотоксичных веществ. Первоначально это исследование возникло из-за необходимости защиты от химического оружия в военной области. В будущем это может также предоставить новые решения по защите для таких отраслей, как сельское хозяйство и химическое производство, которые часто подвергаются воздействию вредных химических веществ.
Нервно-паралитические агенты особенно опасны, поскольку они могут быстро нарушить нормальное функционирование нервной системы человека и блокировать передачу сигналов между мозгом и телом. Сильное воздействие может вызвать эпилептиформные припадки, паралич и даже смерть в течение нескольких минут. В настоящее время обычная защитная одежда в основном опирается на физические барьеры для изоляции вредных веществ. Хотя он может предотвратить попадание химических веществ на кожу, он обычно не уничтожает эти яды активно.
Решение, предложенное исследовательской группой, заключается не в воссоздании специальной ткани, а в разработке функционального химического материала, которым можно будет наносить покрытие на поверхность различных тканей. Это похоже на процесс обработки красителем, который прикрепляется к волокнам, но вместо того, чтобы просто менять цвет ткани, он дает материалу возможность активно справляться с токсичными химическими веществами.
Это исследование основано на более чем десятилетних исследованиях, проведенных командой. В 2015 году исследователи Северо-Западного университета обнаружили, что цирконийсодержащие материалы могут помочь расщеплять токсичные химические вещества. В этом исследовании цирконий дополнительно объединили с меланинподобным веществом под названием алломеланин. Этот пигмент родственен природным пигментам грибов и, помимо обеспечения цвета, обладает способностью адсорбировать небольшие молекулы и ионы тяжелых металлов.
Исследователи воспользовались свойствами каждого из двух компонентов: меланоидин имеет пористую структуру, которая улавливает вредные молекулы, как микроскопическая губка, а цирконий отвечает за проведение химических реакций, разрушающих захваченные токсичные вещества. Кроме того, вода может выступать в качестве катализатора реакции, способствуя активизации процесса разложения.
Однако исследователи вскоре обнаружили, что разрушение первоначального яда не означает, что опасность исчезла. Химические реакции могут давать новые побочные продукты, которые иногда даже более опасны, чем исходное вещество. В ходе эксперимента цирконий и меланоидины работали вместе, производя два побочных продукта: один — нетоксичный диметилфосфат, а другой — чрезвычайно токсичные метилнитрофенолы.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа вновь воспользовалась адсорбционной способностью меланоидинов. Помимо улавливания исходных токсичных химикатов, этот материал также способен связывать вредные побочные продукты, упомянутые выше, тем самым снижая их концентрацию и потенциальный вред.
Результаты эксперимента показали, что в течение 10 минут концентрация метилнитрофенола снизилась на 50%. Исследователи также обнаружили, что увеличение количества меланоидина и подвергание материала воздействию солнечного света еще больше снижает токсичность этого побочного продукта. Однако исследовательская группа не объявила, насколько улучшение может принести воздействие солнечного света.
Натан Джаннески, соавтор исследования и профессор Северо-Западного университета, рассказал, что исследовательская группа проводит исследования меланина уже более 12 лет, пытаясь понять многочисленные функции этого вещества в природе и оптимизируя его с помощью инженерии материалов, чтобы дать ему возможность широкомасштабного применения. Он считает, что это достижение не только демонстрирует новое защитное покрытие, но и дает идеи для переосмысления конструкции защитных материалов.
Если эта технология в конечном итоге будет усовершенствована, будущая защитная одежда больше не сможет просто пассивно блокировать опасные вещества, но и сможет активно участвовать в химическом разложении при воздействии определенных токсичных химикатов, тем самым снижая риск, связанный с постоянным присутствием загрязняющих веществ. Потенциальные сценарии применения включают защиту военного персонала, обработку пестицидами и химическое производство.
Однако от лабораторной проверки до фактического использования еще далеко. Исследователям также необходимо дополнительно оценить, как это покрытие ведет себя в реальных условиях, включая его эффективность реакции в различных условиях температуры, влажности и загрязнения, его долгосрочную стабильность и фактическую защиту от различных типов ядов. Только после того, как будет подтверждено, что продукты разложения адекватно контролируются и материал может продолжать надежно функционировать, эту технологию можно применять для массового производства средств индивидуальной защиты.
Соответствующие научные статьи недавно были опубликованы в журнале «ACS Nano».
Комментарии