Ученые НИТУ МИСИС и Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии разработали способ модификации коммерчески доступных тканей на основе хлопка наночастицами нитрида бора. Обработка ткани небольшим количеством поверхностно-модифицированных частиц позволяет получить антибактериальные, гидрофобные нанотекстильные материалы, стабильные при стирке, устойчивые к воздействию температур и защищающие от ультрафиолетового излучения. В будущем такой материал может использоваться для широкого спектра применений, включая пошив спортивной одежды, спецодежды, а также материалов для медицинского использования (наволочки, простыни, халаты). C результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала ACS Applied Bio Materials.
Натуральные текстильные ткани (хлопок, лен, шерсть) обладают несомненными преимуществами по сравнению с синтетическими при производстве одежды, потому что они воздухопроницаемы, экологичны и не вызывают раздражения при использовании. Однако при контакте с человеческим телом такие материалы создают идеальную среду для роста микробов (бактерий, грибов, водорослей) из-за их большой площади поверхности и способности удерживать кислород, влагу и тепло. Кроме того, основные химические компоненты, присутствующие в натуральных волокнах, обеспечивают питание микроорганизмов, тем самым способствуя их росту. Хлопковые ткани также склонны впитывать влагу, что доставляет дискомфорт во время использования. Включение наночастиц нитрида бора в состав тканей позволяет улучшить их свойства. После подобных модификаций ткани становятся антибактериальными и супергидрофобными (то есть отталкивающими воду), при этом также повышается их термостабильность и поглощение ультрафиолетового излучения. Комбинирование нескольких полезных свойств оказалось достаточно простым и дешевым в производстве.
Сотрудники НИТУ МИСИС и Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии предложили новый подход к модификации хлопковых тканей наночастицами нитрида бора. Нитрид бора является структурным аналогом графена и широко используется в косметике за счет своих УФ-поглощающих и антибактериальных свойств. Он также устойчив к высокой температуре и обладает гидрофобностью. Чтобы наночастицы лучше удерживались на волокнах ткани, авторы «навесили» на них карбоксильные и аминогруппы, поскольку и те, и другие образуют водородные связи с гидроксильными группами целлюлозы, из которой состоит хлопок.
Теоретические расчеты показали, что наночастицы с аминогруппами лучше связываются с хлопковыми волокнами, чем те, что несли карбоксильные остатки. Результат подтвердился и в экспериментах: модифицированный нитрид бора не смывался спустя сутки нахождения в воде и после 40 стирок. Впрочем, обе модификации позволили повысить устойчивость хлопка к высоким температурам — материал не разрушался при нагревании свыше 350°C. Кроме того, оба варианта волокон стали примерно на 25% лучше отталкивать воду и пропускали гораздо меньше ультрафиолетовых лучей, что важно для защиты от яркого солнца. Так, если сквозь обычный хлопок проходило порядка 40% излучения сильного УФ-излучения, то через улучшенный наночастицами по методике авторов — не более 4%.
Исследователи проверили и антибактериальные свойства новых материалов. Оказалось, что спустя сутки на образцах погибли все клетки кишечной палочки и золотистого стафилококка, вызывающего множество инфекций — от легких кожных воспалений до опасных менингита и сепсиса. Такой эффект объясняется тем, что наночастицы в водной среде выделяют губительную для микроорганизмов борную кислоту. При этом ее концентрации абсолютно безопасны для человека.
«Мы получили мультифункциональные ткани, которые по своим характеристикам превосходят не только обычный хлопок, но и полотно, модифицированное наночастицами без дополнительных групп. Получаемый нашим методом нанотекстиль сохраняет ценные свойства даже после многократной стирки, а потому его можно применять при пошиве спортивной и спецодежды. В дальнейшем мы планируем модифицировать ткани гибридными наночастицами на основе нитрида бора, такими как BN-Ag или BN-ZnO для повышения антибактериальных и УФ-защитных характеристик», — рассказывает первый автор работы Елизавета Пермякова, младший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
