Полимерные ворсинки в 14 раз снизили количество микропластика при стирке нейлона
Ворсинки гнутся, смягчая удар, и ткани лучше скользят друг по другу.
Канадские ученые вырастили на нейлоне слой ворсинок полидиметилсилоксана, который существенно снижает трение. При стирке такого материала образуется в четырнадцать раз меньше частиц микропластика, при этом на ощупь и зрительно он не отличается от необработанного нейлона. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Каждый раз, когда мы стираем синтетическую футболку, от ее поверхности отрывается примерно 730 тысяч пластиковых микрочастиц и микроволокон. Часть этих волокон достаточно малы, чтобы, минуя фильтры, попасть в грунтовые воды и почву. По оценкам ученых около 35 процентов всего плавающего в океане микропластика попали туда из слива стиральных машин.
Внимание экологов в основном привлечено к синтетическим материалам, хотя с вещами хлопка и других натуральных тканей все тоже непросто. Хлопковые волокна способны разложиться в почве или воде, но из-за пигментов и других включений этот процесс идет медленно. Например, джинсовые волокна уже находили в канадских Великих озерах и желудках живущих там рыб.
Микроволокна отделяются от поверхности, когда вещи трутся о барабан и между собой. Поэтому канадские материаловеды под руководством Кевина Головин (Kevin Golovin) из Университета Торонто решили сделать покрытие для снижения трения.
Ученые работали с одной из самых популярных синтетических тканей — нейлоном. Покрытие наносили в две стадии. Сначала на поверхность нейлона нанесли связующий слой: для этого подкисленный спиртовой раствор 3-меркаплопропилтриметоксисилана обработали пероксидом водорода. Под действием окислителя SH-фрагменты превратились в SO3H-фрагменты, которые способны образовывать прочные связи с нейлоном. Нейлоновые листы погрузили в полученный раствор на один час, и высушили в течение часа при температуре 95 градусов Цельсия.
После этого на праймер нарастили слой полидиметилсилоксана (PDMS). Этот полимер используется, например, в косметике для волос, он сглаживает поверхность волоса, визуально делая волосы более гладкими и блестящими. PDMS синтезировали in situ из паров 1,3-дихлортетраметилдисилоксана в присутствии воды. При этом группы SiCl-фрагменты 1,3-дихлортетраметилдисилоксана гидролизуютсяя, превращаясь в SiOH-фрагменты и связываются с другими такими же фрагментами — сначала из связующего слоя, а затем из соседних молекул. Молекулы выстраиваются в цепь: ее «голова» прочно пришита к нейлону, а «хвост» растет перпендикулярно поверхности. После оптимизации условий авторы сумели получить слой PDMS -ворсинок длиной около 10 нанометров.
При взаимодействии поверхности с другими материалами ворсинки PDMS работают как слой жидкости, пришитый к ткани. Ворсинки гнутся, смягчая удар, и ткани лучше скользят друг по другу. И при сухом, и при мокром трении коэффициент трения снижался примерно вдвое, когда один из взаимодействующих объектов покрывали слоем ворсинок и более чем в четыре раза — когда покрывали оба.
Такое заметное снижение трения ожидаемо повлияло и на образование микропластика. Из необработанного нейлона за девять стирок вымывалось 3975 ± 327 частиц на один грамм материала. А из нейлона с ворсинками — почти в четырнадцать раз меньше (289 ± 75). Разница сохранялась и при стирке материала при температуре 60 градусов Цельсия в течение 24 часов. Ученые испытали также нейлон только со связующим слоем и только со слоем PDMS, но в этих случаях значимых улучшений не было.
Интересно, что средний размер волокон был в пределах погрешности одинаковым — около 0,5 миллиметра. Из этого авторы заключили, что механизм отделения микроволокон остался тем же, снизилась только его интенсивность.
На ощупь и визуально нейлон с покрытием не отличался от необработанного. Сейчас авторы работают над снижением гидрофобности материала — так он будет лучше впитывать пот, и станет более комфортным для движения и занятий спортом. Также они планируют оптимизировать механизм нанесения праймера, чтобы он подходил не только для нейлона.
В конце прошлого года китайские экологи выяснили, что частицы микропластика в сочетании с солнцезащитными компонентами косметики могут усиливать токсическое действие хрома.
А проверить свои знания о микропластике можно, пройдя наш тест.
Она работает на очень низком напряжении, безопасном для человека
Американские ученые создали искусственную кожу, которая может превращать ощущения в электрические сигналы и передавать их в мозг. Кожа эластичная и работает на низком напряжении, что делает ее безопасной и устойчивой к растяжениям. Электрическую кожу протестировали на крысах, но ученые надеются в будущем добавить ее в протезы для людей. Работа опубликована в журнале Science. У настоящей кожи есть несколько функций. Помимо того, что она защищает организм от внешней среды, кожа чувствует температуру, вибрацию, прикосновения и другие ощущения, без чего сложно взаимодействовать с окружающим миром. Поэтому людям часто сложно пользоваться протезами: они не всегда хорошо передают ощущения. Ученые давно пытаются сделать протезы более чувствительными, в том числе с помощью искусственной кожи, передающей электрические сигналы с помощью сенсоров и транзисторов. Обычная кожа легко растягивается и сжимается, при этом полностью сохраняя чувствительность. В идеале искусственная кожа должна быть такой же, но обычно она состоит из комбинации жестких и мягких элементов. Группе ученых из Стэнфордского университета под руководством Бао Чжэнань (Bao Zhenan) удалось разработать полностью мягкую и эластичную искусственную кожу, которая передает электрические сигналы и работает на низком напряжении в 5 вольт, безопасном для человеческого тела (как правило, транзисторы в искусственной коже работают на электрическом напряжении в 30-100 вольт). Понизить напряжение удалось за счет повышения подвижности носителей заряда в 30 раз. Такие электрические свойства обеспечил сложный состав новой искусственной кожи. Она состоит из трех слоев материалов, один из которых — синтетический каучук. Его обычно используют для изготовления медицинских перчаток. Толщина всех трех слоев составила меньше микрона, поэтому к материалу для надежности прикрепили подложку. Вместе с ней искусственная кожа достигла толщины листа бумаги (25-30 микронов). Каждый слой кожи включает в себя миниатюрные сенсоры, которые распознают нажатия, температуру и растяжения. Транзисторы превращают сигналы от сенсоров в электрические импульсы с частотой до 42 герц и стабильной амплитудой. Также транзисторы меняют форму сигналов от сенсоров, чтобы сделать их более похожими на сигналы нейронов в головном мозге. Далее по искусственному синапсу электрические сигналы как раз отправляются в соматосенсорную кору мозга. Ученые проверили эффективность электрической искусственной кожи на крысах. Для этого они прикрепили кусок искусственной кожи к настоящей, а также создали два искусственных синапса: между искусственной кожей и соматосенсорной корой, и между моторной корой и седалищным нервом. Соматосенсорная кора воспринимает сигналы от органов чувств, а моторная кора подает команды мышцам. Ученые так стимулировали искусственную кожу, чтобы вызвать у крыс ответную реакцию в виде движения лап. Оказалось, что более сильные нажатия на искусственную кожу заставляли лапы крыс активнее подергиваться. В ответ на слабые нажатия крысы дергали лапами под углом 44 градуса, в ответ на самые сильные — 70 градусов. Это показало чувствительность искусственной кожи к стимулам разной интенсивности. Кусок искусственной кожи прикрепляли к настоящей на 30 часов, и за это время он не вызвал раздражения. В будущем ученые планируют интегрировать технологию в человеческие протезы, но сначала нужно сделать искусственную кожу беспроводной и разработать систему для взаимодействия мозга с разными частями тела с ее помощью. Тем временем нейрохирурги из Швейцарии, Великобритании, США и Франции сделали интерфейс для связи спинного и головного мозга. Пациент потерял способность ходить после неполной травмы спинного мозга, но с новым нейроинтерфейсом ему удалось на костылях ходить по дому, стоять и садиться в машину.
