在很多例如消防、實驗室、醫(yī)務人員和急救人員在例行和緊急行動中面臨過多的化學和生物威脅。人員安全有賴于防護裝備，不幸的是，防護裝備仍有許多不盡如人意之處。

例如，高透氣性（即，將水蒸氣從穿著者的身體轉(zhuǎn)移到外部世界）對于防護性軍服至關(guān)重要，以防止士兵在受污染的環(huán)境中執(zhí)行任務時出現(xiàn)熱應激和疲憊。在當前服裝中提供保護的相同材料(吸附劑或阻隔層)也會有害地抑制透氣性。

為了應對這些挑戰(zhàn)，由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)科學家弗朗西斯科·福納西羅(Francesco Fornasiero)領(lǐng)導的多機構(gòu)研究小組開發(fā)出了一種智能、透氣的面料，旨在保護穿著者免受生物和化學戰(zhàn)劑的傷害。這類材料也可用于臨床和醫(yī)療環(huán)境其研究成果發(fā)表在《高級功能材料》期刊上，代表著該項目第一階段的成功完成。研究通過成功地結(jié)合兩個關(guān)鍵元素，展示了一種既透氣又具有保護作用的智能材料：

由數(shù)萬億個排列的碳納米管孔組成的基膜層和嫁接到膜表面的威脅響應聚合物層。這些碳納米管（直徑比人類頭發(fā)小5000多倍的石墨圓柱體）可以很容易地將水分子通過其內(nèi)部，同時還可以阻止所有無法穿過微小毛孔的生物威脅。。研究已經(jīng)證明，通過碳納米管的水蒸氣傳輸速率，隨著管子直徑的減小而增加，對于研究中考慮的最小孔徑而言，其速度如此之快，以至于接近人們在大塊氣相中測量的速度。

這一趨勢令人驚訝，表明作為導濕孔的單壁碳納米管(SWCNTs)克服了傳統(tǒng)多孔材料表現(xiàn)出的有限的透氣性/保護權(quán)衡。因此，減小SWCNT直徑可以同時提高篩分選擇性和水蒸氣透過性。與生物制劑相反，化學威脅更小，可以穿過納米管孔。為了增加對化學危害的保護，材料表面生長了一層聚合物鏈，與威脅接觸后可逆地坍塌，從而暫時堵塞了毛孔。麻省理工學院合作者蒂莫西·斯威格(Timothy Swager)開發(fā)了這種響應性聚合物，他說：

這種動態(tài)層讓材料變得‘智能’，因為它只在需要的時候和地點提供保護。這些聚合物的設計目的是在接觸到有機磷威脅(如沙林)時，從延伸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗轄顟B(tài)，研究證實，模擬和實際現(xiàn)場都會觸發(fā)所需的變化。研究小組表明，響應性薄膜在開孔狀態(tài)下具有足夠的透氣性，可以滿足設計要求。在封閉狀態(tài)下，通過材料的威脅滲透量大大降低了兩個數(shù)量級。這種材料展示的透氣性和智能保護特性有望顯著改善用戶的熱舒適性，并能夠極大地延長防護裝備的穿戴時間。

負責監(jiān)督該項目的DTRA項目經(jīng)理肯德拉·麥考伊(Kendra McCoy)說：在危險環(huán)境中的長期行動中，戰(zhàn)斗人員、醫(yī)務人員和急救人員的安全取決于個人防護裝備，這些裝備不僅可以保護，還可以呼吸。DTRA Second Skin計劃旨在通過支持自主適應環(huán)境的新材料開發(fā)來滿足這一需求，并在長達數(shù)小時的時間內(nèi)最大限度地提高舒適性和保護性。在該項目的下一階段，目標是納入針對額外化學威脅的按需保護，并使材料可拉伸，從而人類皮膚，以使身體更健康。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

研究發(fā)表期刊《高級功能材料》

DOI: 10.1002/adfm.202000258

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