Zusammenfassung:
Forscher an der Northwestern University in den Vereinigten Staaten entwickeln eine neue Stoffbeschichtung, die es Schutzkleidung ermöglichen soll, nicht nur gefährliche Chemikalien zu blockieren, sondern auch einige hochgiftige Substanzen aktiv abzubauen und deren Toxizität zu verringern. Diese Forschung entstand ursprünglich aus der Notwendigkeit des Schutzes vor chemischen Waffen im militärischen Bereich. In Zukunft könnte es auch neue Schutzlösungen für Branchen wie die Landwirtschaft und die Chemieindustrie bieten, die häufig schädlichen Chemikalien ausgesetzt sind.
Nervenkampfstoffe sind besonders gefährlich, da sie schnell die normale Funktion des menschlichen Nervensystems beeinträchtigen und die Signalübertragung zwischen Gehirn und Körper blockieren können. Eine starke Exposition kann innerhalb von Minuten epileptiforme Anfälle, Lähmungen und sogar den Tod auslösen. Derzeit gängige Schutzkleidung basiert hauptsächlich auf physikalischen Barrieren, um Schadstoffe zu isolieren. Obwohl es den Kontakt chemischer Substanzen mit der Haut verhindern kann, werden diese Gifte in der Regel nicht aktiv zerstört.
Die vom Forschungsteam vorgeschlagene Lösung besteht nicht darin, einen speziellen Stoff nachzubilden, sondern ein funktionelles chemisches Material zu entwickeln, das auf die Oberfläche verschiedener Stoffe aufgetragen werden kann. Es ähnelt einem Färbeverfahren, das sich an Fasern festsetzt, aber anstatt nur die Farbe des Stoffes zu verändern, verleiht es dem Material die Fähigkeit, aktiv mit giftigen Chemikalien umzugehen.
Diese Forschung baut auf mehr als einem Jahrzehnt früherer Forschung des Teams auf. Im Jahr 2015 entdeckten Forscher der Northwestern University, dass zirkoniumhaltige Materialien beim Abbau giftiger Chemikalien helfen können. In dieser Studie wurde Zirkonium außerdem mit einer melaninähnlichen Substanz namens Allomelanin kombiniert. Dieses Pigment ist mit natürlichen Pigmenten in Pilzen verwandt und hat neben der Farbgebung auch die Fähigkeit, kleine Moleküle und Schwermetallionen zu adsorbieren.
Die Forscher machten sich die Eigenschaften jeder der beiden Komponenten zunutze: Melanoidin hat eine poröse Struktur, die schädliche Moleküle wie ein mikroskopisch kleiner Schwamm einfängt, während Zirkonium für die Ansteuerung chemischer Reaktionen verantwortlich ist, die eingeschlossene giftige Substanzen zerstören. Darüber hinaus kann Wasser während der Reaktion als Katalysator wirken und dabei helfen, den Zersetzungsprozess zu aktivieren.
Forscher stellten jedoch bald fest, dass der Abbau des ursprünglichen Giftes nicht bedeutete, dass die Gefahr vorüber war. Durch chemische Reaktionen können neue Nebenprodukte entstehen, die manchmal sogar gefährlicher sind als der ursprüngliche Stoff. In dem Experiment arbeiteten Zirkonium und Melanoidine zusammen und erzeugten zwei Nebenprodukte: eines ist ungiftiges Dimethylphosphat und das andere sind extrem giftige Methylnitrophenole.
Um dieses Problem zu lösen, nutzte das Forschungsteam erneut die Adsorptionsfähigkeit von Melanoidinen. Dieses Material fängt nicht nur die ursprünglichen giftigen Chemikalien ein, sondern ist auch in der Lage, die oben genannten schädlichen Nebenprodukte zu binden und so deren Konzentration und potenzielle Schäden zu reduzieren.
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Konzentration von Methylnitrophenol innerhalb von 10 Minuten um 50 % sank. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass eine Erhöhung der Melanoidinmenge und die Einwirkung von Sonnenlicht auf das Material die Toxizität dieses Nebenprodukts weiter verringerten. Das Forschungsteam hat jedoch nicht bekannt gegeben, wie viel Verbesserung die Sonneneinstrahlung bringen kann.
Nathan Gianneski, Co-Autor der Studie und Professor an der Northwestern University, sagte, dass das Forschungsteam seit mehr als 12 Jahren an Melanin forscht und versucht, die vielfältigen Funktionen dieser Substanz in der Natur zu verstehen und sie durch Materialtechnik zu optimieren, um ihr das Potenzial für eine groß angelegte Anwendung zu verleihen. Er glaubt, dass dieser Erfolg nicht nur eine neue Schutzbeschichtung demonstriert, sondern auch Ideen für ein Umdenken bei der Gestaltung von Schutzmaterialien liefert.
Wenn diese Technologie schließlich perfektioniert wird, kann zukünftige Schutzkleidung gefährliche Substanzen nicht mehr nur passiv blockieren, sondern aktiv an der chemischen Zersetzung teilnehmen, wenn sie bestimmten giftigen Chemikalien ausgesetzt wird, und so das Risiko verringern, das durch das anhaltende Vorhandensein von Schadstoffen entsteht. Mögliche Anwendungsszenarien umfassen den Schutz von Militärpersonal, die Pestizidbehandlung und die chemische Produktion.
Von der Laborverifizierung bis zur tatsächlichen Anwendung ist es jedoch noch ein langer Weg. Die Forscher müssen außerdem die Leistung dieser Beschichtung in realen Umgebungen weiter bewerten, einschließlich ihrer Reaktionseffizienz unter verschiedenen Temperatur-, Feuchtigkeits- und Verschmutzungsbedingungen, ihrer Langzeitstabilität und ihrem tatsächlichen Schutz gegen verschiedene Arten von Giften. Erst wenn sichergestellt ist, dass die Zersetzungsprodukte ausreichend kontrolliert werden und das Material weiterhin zuverlässig funktionieren kann, kann diese Technologie auf massenproduzierte persönliche Schutzausrüstung angewendet werden.
Einschlägige Forschungsarbeiten wurden kürzlich in der Zeitschrift „ACS Nano“ veröffentlicht.
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