Et muligt svar på beskyttelse mod kemiske/biologiske agenser, brændstoflækager, og kaffepletter

En nylig opdagelse finansieret af Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) kan meget vel føre til en proces, der ikke kun gavner ethvert uniformeret tjenestemedlem i forsvarsministeriet, men alle andre også:beskyttelse mod kemiske/biologiske agenser, til selvrensende tøj, til ubesværet termisk styring, til brændstofrensning samt øget kontrol af lækager - især olie og brændstoffer.

I 2006 AFOSR Program Manager Dr. Charles Lee finansierede professor Gareth McKinley ved Massachusetts Institute of Technology, hvor han udforskede nanokompositteknologi til forsvarsapplikationer. Anish Tuteja, en MIT ph.d.-studerende på det tidspunkt, udnyttede de usædvanlige overfladeegenskaber af en nanokomposit med fluorerede nanopartikler, at skabe en superoleofobisk overflade. Efter eksamen, Tuteja flyttede til University of Michigan i Ann Arbor, hvor han i øjeblikket er assisterende professor i materialevidenskab og teknik, med speciale i kemiteknik og makromolekylær videnskab og teknik. Han blev tildelt et Young Investigator Program-stipendium fra AFOSR i 2011, og fortsatte med at udføre den samme forskningslinje, som blev påbegyndt ved MIT. Hans hold omfattede også doktorand Shuaijun Pan og postdoc-forsker Arun Kota, samt samarbejde med Dr. Joseph Mabry, fra Rocket Propulsion Division i Air Force Research Laboratory, hos Edwards AFB, Californien.

I deres seneste avis, "Superomnifobe overflader til effektiv kemisk afskærmning, " i det aktuelle nummer af Journal of the American Chemical Society , Tuteja og hans team har demonstreret overflader, der effektivt fungerer som "kemiske skjolde mod stort set alle væsker."

For at gøre dette muligt, overflader er forberedt ved hjælp af en nanoskala belægning, der er cirka 95 procent luft, hvilket igen, afviser væsker af ethvert materiale i sin klasse, får dem til bogstaveligt talt at hoppe af den behandlede overflade. Overfladerne "besidder hierarkiske skalaer af genindtrædende tekstur, der væsentligt reducerer faststof-væskekontaktområdet." Det hele handler om at kontrollere, hvor meget kontakt væsken i sidste ende har med den behandlede overflade. For at opnå det anvender forskerne belægningen i nanoskala ved hjælp af en proces kaldet elektrospinning - ved hjælp af en elektrisk ladning til at skabe fine partikler af fast stof afledt af en flydende opløsning.

Belægningen er en blanding af tværbundet "polydimethylsiloxan, " eller PDMS, og væskemodstandsdygtige terninger i nanoskala udviklet af luftvåbnet, der indeholder kulstof, fluor, silicium og ilt. Mens materialets kemi er vigtig, det samme er dens tekstur, fordi den omfavner porestrukturen på hvilken som helst overflade den er påført på, og skaber et fint net af luftlommer i disse porer, så enhver væske, der kommer i kontakt med belægningen, rører næsten ikke en fast overflade.

Ifølge Dr. Tuteja, når en ubehandlet overflade og en væske kommer i umiddelbar nærhed, "de påfører hinanden en lille positiv eller negativ ladning, og så snart væsken kommer i kontakt med den faste overflade, det vil begynde at sprede sig... vi har drastisk reduceret interaktionen mellem overfladen og dråben." Ved effektivt at eliminere kontakten mellem den behandlede overflade og væsken, der er næsten intet incitament for væsken til at sprede sig, som sådan, dråberne forbliver intakte, kun interagerer med molekyler i sig selv, og bevare deres sfæriske form.

Forskerholdet har testet mere end 100 væsker og fandt kun to, der var i stand til at trænge ind i belægningen:de var begge chlorfluorcarboner - kemikalier, der blev brugt i køleskabe og klimaanlæg. I Tutejas laboratoriedemonstrationer afviste overfladen kaffe, sojasovs og vegetabilsk olie, samt giftige salt- og svovlsyrer, og overfladerne er også modstandsdygtige over for benzin og forskellige alkoholer.

Dette program er af særlig interesse for luftvåbnet og forsvarsministeriet, da det kan være nyttigt til selvrensende overflader (især, integreret åndbart beskyttende kemisk/biologisk krigsførelse i ensartet beklædning og sensorsystemer), forbedring af termisk styringseffektivitet i faseskiftekølesystemer, brændstofrensning og kontrol af olie- og brændstoflækager i raketter og fly. For ikke at nævne, beskyttelse mod hverdagens kaffespild.