Наука окружает нас повсюду. И открытия исследователей — это не только познание тайн мироздания, борьба с глобальными проблемами и синтез лекарств от редчайших заболеваний. Одно из интересных «бытовых» направлений развития научных разработок — создание тканей с полезными свойствами: антибактериальных, защищающих от ультрафиолетового излучения, стойких к высоким и низким температурам, со встроенными датчиками здоровья. Нередко в основу таких инноваций ложатся привычные для нас материалы, такие как хлопок и шелк. О подобных разработках и пойдет речь в этой статье. Приглашаем наших читателей окунуться в мир текстиля будущего!
Самоочищение на свету
Ткани, способные самостоятельно обеззараживаться и очищаться от загрязняющих веществ под действием видимого света, разработали ученые Новосибирского государственного университета. Чтобы наделить материалы такими свойствами, исследователи предложили покрывать их специальным составом на основе двуокиси титана (TiO2).
Наделить ткань свойством самоочищения от химических и биологических загрязнителей помогает обработка специальным составом на основе диоксида титана.
Фото: Елена Панфило / пресс-служба НГУ
Подробнее о новаторской технологии корреспонденту «Научной России» рассказали участники исследования: заведующий лабораторией электрохимических технологий Научно-образовательного центра «Институт химических технологий НГУ-ИК СО РАН» кандидат химических наук Дмитрий Сергеевич Селищев и младший научный сотрудник лаборатории электрохимических технологий НОЦ «Институт химических технологий НГУ-ИК СО РАН» Мария Игоревна Соловьева.
«Главный компонент, обеспечивающий самоочищающиеся свойства разрабатываемых тканевых материалов, — фотокатализатор на основе диоксида титана. Под действием света он образует окислители, разрушающие химические и биологические загрязнители на молекулярном уровне. После нанесения на поверхность текстильных тканей покрытия, содержащего фотокатализатор, полученные материалы приобретают эффект самоочистки под действием света», — объяснили Д.С. Селищев и М.И. Соловьева.
Активные окисляющие частицы образуются на покрытии под действием видимого света, включая солнечные лучи и лампы дневного освещения. В результате на поверхности усовершенствованной ткани органические загрязнители разлагаются на воду и углекислый газ (CO2), а вирусы и микроорганизмы инактивируются. Эффективность технологии была успешно подтверждена в результате испытаний.
О технологии корреспонденту «Научной России» рассказали сотрудники НОЦ «Институт химических технологий НГУ-ИК СО РАН» Д.С. Селищев и М.И. Соловьева.
Фото: Елена Панфило / пресс-служба НГУ
«На данный момент в роли объектов для тестирования материалов выступали фрагменты ДНК и РНК, бактериофаги и вирус гриппа. На поверхности самоочищающихся тканей также исследовали инактивацию клеток грибка Candida albicans и бактерий, таких как кишечная палочка Escherichia coli и золотистый стафилококк Staphylococcus aureus. Для этого каждый объект наносили на поверхность ткани, после чего анализировали изменения его количества под действием света. Разработанные материалы позволили успешно удалить все вышеописанные объекты, что подчеркивает перспективность использования данной технологии», — отметили Д.С. Селищев и М.И. Соловьева.
Новые материалы сохраняли полезные свойства даже после многократной стирки.
«Предварительные результаты показывают, что полученные материалы сохраняют свои самоочищающиеся свойства в течение нескольких лет», — добавили исследователи.
Разработка поможет улучшить спецодежду для профессионалов, трудящихся в стерильных и близких к стерильным условиях, — врачей, лаборантов, работников пищевой промышленности. В прошлом подобные катализаторы проявляли достаточную активность только под УФ-излучением, что создавало препятствия для их использования: ультрафиолетовые лампы невозможно постоянно включать в помещении в присутствии людей.
Разработка сибирских ученых позволяет наносить на поверхность ткани равномерное покрытие с оптимальной концентрацией активного компонента.
Фото: Елена Панфило / пресс-служба НГУ
Разработка сибирских ученых позволяет наносить равномерное покрытие с оптимальной концентрацией активного компонента на поверхность ткани. При этом технология обработки подстраивается под будущие условия использования материала: помещение или открытый воздух, уровень влажности, специфику профессии.
Младший научный сотрудник лаборатории электрохимических технологий НОЦ «Институт химических технологий НГУ-ИК СО РАН» М.И. Соловьева за работой.
Фото: Елена Панфило / пресс-служба НГУ
«Для возможности использования самоочищающихся тканей в разных сферах жизни человека варьируют состав материалов, — подчеркнули Д.С. Селищев и М.И. Соловьева. — Для этого подбирают ткань, которая должна соответствовать установленным требованиям для спецодежды, поскольку именно ее свойства влияют на характеристики полученного материала. Затем оптимизируют условия нанесения самоочищающегося покрытия, такие как количество и соотношение компонентов в пропиточном составе, время и температура разных стадий процесса».
Сейчас исследователи совершенствуют технологию и пробуют расширять возможности ее применения. В перспективе — внедрение инновации в производство совместно с индустриальным партнером.
«На данном этапе работа направлена на повышение эффективности использования света, чтобы материалы могли быстрее очищать собственную поверхность под действием света Солнца и комнатных источников освещения, а также на исследование возможности наносить такие самоочищающиеся покрытия не только на ткани, но и на поверхность стекла, пластика и металла», — поделились Д.С. Селищев и М.И. Соловьева.
Для спортсменов и врачей
Модифицировать ткани на основе хлопка наночастицами нитрида бора (BN) предложили исследователи из Университета науки и технологий МИСИС и Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии. В результате такой обработки материалы приобретают антибактериальные и водоотталкивающие свойства, становятся устойчивее к высоким температурам. Кроме того, улучшенные ткани берегут кожу хозяина, поглощая ультрафиолетовое излучение.
В отличие от синтетических материалов хлопковые ткани пропускают воздух, не раздражают кожу и безопасны для окружающей среды. Но одновременно такая одежда легко пропитывается влагой, что может вызывать дискомфорт, и служит привлекательной средой для различных микроорганизмов, так как хорошо удерживает не только воду, но и кислород и тепло. Да и сами компоненты волокон хлопковых тканей вполне подходят в качестве пищи для микробов.
Исследователи из МИСИС и Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии предложили улучшить свойства тканей на основе хлопка, внедрив в их структуру наночастицы нитрида бора.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
Ученые обнаружили доступный способ избавить хлопковую ткань от этих недостатков — достаточно обработать материю небольшим количеством наночастиц нитрида бора. Это соединение как раз сочетает все необходимые свойства, которых недостает хлопковым материалам: оно антибактериальное, поглощает ультрафиолет, отталкивает воду и не боится высоких температур.
Деталями разработки с корреспондентом «Научной России» поделилась автор технологии, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» МИСИС Елизавета Сергеевна Пермякова.
Обычный хлопок пропускает около 40% интенсивного УФ-излучения. После внедрения в ткань наночастиц этот показатель снизился до 4%.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
«В нашем исследовании мы получали нанотекстильные материалы на основе хлопка и наночастиц нитрида бора. Хлопок на 95% состоит из целлюлозы, природного полисахарида с большим количеством гидроксильных групп. Поэтому для того чтобы равномерно ввести в ткань как можно больше наночастиц и обеспечить стабильность получаемых материалов, нам надо было эффективно использовать гидроксильные группы целлюлозы. Поскольку сами по себе наночастицы нитрида бора нейтральны и не могут активно взаимодействовать с тканью, мы предварительно обрабатывали их аминосодержащим соединением (диэтилентриамином), которое хорошо сорбировалось на поверхность частицы за счет электростатики (сами частицы несут отрицательный заряд, а аминосоединения — положительный). После чего мы уже получали частицы с аминогруппами, которые могли эффективно связываться с поверхностью ткани. Сама обработка проводилась путем выдержки ткани в суспензии частиц. Таким образом был разработан простой и легко масштабируемый способ получения нанохлопковых тканей», — рассказала Е.С. Пермякова.
В качестве альтернативы аминогруппам исследователи также пробовали использовать карбоксильные группы — как первые, так и вторые химические структуры образуют водородные связи с гидроксильными группами целлюлозы. Но более прочно «приклеились» к материи именно наночастицы с аминогруппами: они не смывались с ткани ни спустя сутки нахождения в воде, ни после 40 стирок. В то же время с точки зрения свойств одинаково хорошие результаты показали оба варианта обработки. Модифицированная нитридом бора хлопковая материя не разрушалась при высоких температурах (более 350 °C) и стала примерно на 25% лучше отталкивать влагу.
Младший научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» МИСИС Е.С. Пермякова обрабатывает образец ткани.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
«Стоит понимать, что мы меняем только поверхностные свойства материала. При обработке наночастицами ткань приобретает супергидрофобные характеристики: капли скатываются с поверхности, также меняется скорость впитывания: материал способен удерживать капли на поверхности в течение десяти минут. Однако если увеличить время воздействия, ткань все-таки будет пропитываться влагой в силу свойств хлопка. Тем не менее предлагаемая нами модификация способна как минимизировать пропитку материала водой, так и пролонгировать срок его эксплуатации за счет защиты от бактерий», — пояснила Е.С. Пермякова.
Инновационная обработка также существенно улучшает УФ-защиту материала: если обычный хлопок пропускает около 40% интенсивного ультрафиолетового излучения, то после внедрения наночастиц этот показатель снижается до 4%!
Модифицированные хлопковые ткани пригодятся в изготовлении специальной униформы, медицинских материалов и спортивной одежды.
Фото: prostooleh / фотобанк Freepik
Отдельное внимание ученые уделили антибактериальным свойствам «суперхлопка». Эксперименты показали, что спустя сутки на образцах обработанной материи погибли все клетки опасных бактерий — кишечной палочки и золотистого стафилококка (последний вызывает воспаления кожи, сепсис и менингит). Это становится возможным в том числе благодаря тому, что наночастицы нитрида бора выделяют в водной среде борную кислоту в концентрациях, гибельных для микробов, но безопасных для человека.
«Предполагаемый механизм антибактериального действия тканей комплексный. Действительно, в оказываемый эффект вносит вклад выделение борной кислоты из состава частиц. Кроме того, супергидрофобные свойства ткани минимизируют прикрепление патогенов и помогают избежать формирования биопленок. Стоит отметить, что данное воздействие очень мягкое и не вызывает раздражения на коже», — подчеркнула Е.С. Пермякова.
Усовершенствованные ткани пригодятся во многих сферах — от производства спортивной одежды и специальной униформы до изготовления медицинских материалов, например халатов и больничного постельного белья. Ученые планируют развивать направление, улучшая антибактериальные и УФ-защитные свойства супертканей с помощью гибридных наночастиц (например, сочетающих нитрид бора с серебром или оксидом цинка).
«На текущий момент мы несколько улучшили технологию, получив гибридные частицы с оксидом цинка, что не только усилило антибактериальные свойства, но и добавило материалу фотокаталитические свойства: было показано, что такие ткани способны самоочищаться от загрязнений под действием солнечного света», — отметила Е.С. Пермякова.
Ученые предполагают, что технология может подойти и для модификации шерстяных и льняных тканей.
Фото: kroshka__nastya / фотобанк Freepik
Исследователи предполагают, что разработка может также подойти для льняных и шерстяных тканей.
«Мы планируем испытать нашу технологию на других типах ткани, чтобы расширить спектр возможных приложений. Пока мы проверяли подход только на хлопковых тканях, но есть основания полагать, что технология также подходит для льна и шерсти, — сказала Е.С. Пермякова. — Лен на 80% состоит из целлюлозы, так что представляется разумным, что наш способ также подойдет для обработки льняных материалов. Что касается шерсти, ее состав несколько отличается, так как он включает аминокислоты. В этих соединениях содержатся как карбоксильные, так и аминогруппы — таким образом, спектр возможных взаимодействий расширяется. На первый взгляд кажется, что наши аминомодифицированные частицы также способны хорошо связываться с шерстью, но это необходимо проверять».
Работа получила поддержку Российского научного фонда. Статья о результатах исследования была опубликована в журнале ACS Applied Bio Materials.
«Стоит отметить, что созданная нами технология подходит для обработки как тканей, так и готовых изделий, что может обеспечить легкое встраивание в процессы производства», — добавила Е.С. Пермякова.
В тандеме с природой
Одежда из шелка приятна на ощупь, дарит комфорт в жару и высоко ценится. Однако этот благородный материал, получаемый из коконов тутовых шелкопрядов, обладает рядом недостатков. Один из них — разрушение под воздействием ультрафиолета. 200 часов под прямыми солнечными лучами — и прочность шелковой материи падает вдвое!
Обработка различными наночастицами позволяет сделать шелк стойким к ультрафиолету, водоотталкивающим или антибактериальным.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Технологию, позволяющую не только улучшить качество шелка, но и дополнить материал ценными свойствами, разработали исследователи Северо-Кавказского федерального университета. Ученые предложили модифицировать шелковые нити различными наночастицами: серебра, железа, кобальта, титана, кремния, оксида меди. Выбор зависит от свойств, которыми нужно наделить материал в конкретном случае. Перечень довольно большой: ученые создают частицы, благодаря которым шелк может стать стойким к ультрафиолету, водоотталкивающим или антибактериальным. Например, за первые два свойства отвечают наночастицы оксида титана, поглощающие УФ-излучение и не дающие влаге пропитывать материю. Интересно, что инновация поможет совершенствовать не только текстиль, но и шелковые нити, применяемые в хирургии и трансплантологии.
Перед внедрением в шелк наночастицы предварительно обрабатываются разнообразными полимерами-стабилизаторами. Это защищает частицы от слипания (что грозит потерей свойств), а также помогает расширять возможности применения наноматериалов.
Шелковые волокна можно модифицировать двумя разными способами: либо кормить наночастицами самих шелкопрядов, либо внедрять добавки уже в полученные нити или готовые изделия. Второй вариант предпочтительнее: материал нужно будет просто погрузить в суспензию наночастиц, и такой подход будет проще стандартизировать и использовать в промышленных масштабах с достойным результатом.
Новый шаг в текстильной электронике
В Томском политехническом университете уже несколько лет развивается особое направление разработки умной одежды — текстильная электроника. Разработки ведутся в рамках программы «Приоритет-2030». Статья об актуальных результатах исследования вышла в 2024 г. в журнале ACS Sensors.
Научная группа TERS-Тeam Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий вуза создала встраиваемые в одежду электроды, регистрирующие электрическую активность сердца, мышц, мозга и другие сигналы организма, по которым можно оценить показатели здоровья. Чтобы сделать одежду умной, исследователи наносят на обычную ткань тончайший слой термопластика лавсана толщиной 0,1 мм (как лист офисной бумаги). После этого на него наносится слой оксида графена, обрабатываемый лазером. Таким образом на ткани формируется полимерный композит, проводящий электричество. Такие встроенные датчики устойчивы к стирке и могут работать без специального электропроводящего геля.
В будущем одежда с встроенными электродами поможет отслеживать состояние спортсменов.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Важное преимущество подхода — в возможности долговременного наблюдения за состоянием человека. Металлические электроды, используемые в этих же целях, нельзя использовать более 72 часов подряд, так как они могут раздражать кожу. В то же время испытания датчиков томских ученых на подопытных кроликах, проведенные совместно с Сибирским государственным медицинским университетом, показали, что даже при длительном использовании электроды на основе оксида графена не вызывают значительного воспаления кожи.
В 2024 г. исследователи снизили поляризацию электродов, способную создавать помехи в измерениях и снижать точность собираемых данных. Это обновление особенно важно для точного снятия электрокардиограммы. Как отмечают ученые, разработка обретет применение в том числе в изготовлении умной одежды для спортсменов.
Подробнее о технологии можно узнать из интервью для портала «Научная Россия» с одним из авторов разработки, профессором Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Евгенией Сергеевной Шеремет.
Стойкость без потери красок
Ткани из метаарамидных волокон — перспективный материал, в необработанном состоянии стойкий к нагреванию до 450 °C. Однако они очень плохо окрашиваются.
Цветные термостойкие ткани можно будет использовать не только для производства спецодежды и материалов для космических аппаратов, но и, например, для безопасной отделки интерьеров в общественных местах.
Фото: wirestock / фотобанк Freepik
Технологию, совершенствующую свойства таких тканей, создали в Санкт-Петербургском государственном университете промышленных технологий и дизайна. Новый подход не только позволил материалам заиграть красками, но и расширил их температурную устойчивость: обработанные ткани сохраняют прочность при температурах от –80 °C до +540 °C.
Ученые подобрали для тканей из метаарамидных волокон специальные термостойкие пигменты и предложили добавлять их частицы в раствор полимера при изготовлении ткани. В результате исследователям удалось получить цветные материалы, сохраняющие цвет под воздействием влаги, трения и света. По всем значимым показателям — огнестойкости, термостабильности, устойчивости к воздействию воды и масла, биоцидности — новинка не уступает зарубежным аналогам.
Разработанные ткани предназначены не только для защитной спецодежды для работы в экстремальных условиях (например, для пожарных в Арктике), но и для безопасной отделки интерьеров в общественных местах, огнестойких покрытий для мебели и пола, материалов для транспорта и космических аппаратов. Технология уже прошла тестирование и начинает внедряться на специализированных российских предприятиях.
Источники
Комментарий Д.С. Селищева и М.И. Соловьевой
Комментарий Е.С. Пермяковой
Новосибирский государственный университет. Елена Панфило. Ученые НГУ разработали самоочищающиеся ткани
Университет науки и технологий МИСИС. Наночастицы нитрида бора превратили хлопок в многофункциональную суперткань
«РИА Новости». В России предложили создавать необычный шелк
«РИА Новости». Ученые создали умный материал для одежды будущего
«РИА Томск». Томские ученые протестировали на кроликах электроды для умной одежды
Министерство науки и высшего образования РФ. Российские ученые создали разноцветную и огнестойкую умную ткань
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: Елена Панфило / пресс-служба НГУ
Фото на главной странице: пресс-служба НИТУ МИСИС
Фото в тексте: Елена Панфило / пресс-служба НГУ, пресс-служба НИТУ МИСИС, freepik / фотобанк Freepik, prostooleh / фотобанк Freepik, kroshka__nastya / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik.
