Produrre tessuti funzionali che assolvono a tutte le funzioni che desideriamo, pur mantenendo le caratteristiche del tessuto a cui siamo abituati non è un compito facile.

Due gruppi di ricercatori della Drexel University:uno, che sta guidando lo sviluppo delle tecniche di produzione di tessuti funzionali industriali, e l'altro, un pioniere nello studio e nell'applicazione di uno dei più forti, la maggior parte dei super materiali elettricamente conduttivi in ​​uso oggi, credono di avere una soluzione.

Hanno migliorato un elemento fondamentale dei tessuti:il filato. Aggiungendo capacità tecniche alle fibre che conferiscono ai tessuti il ​​loro carattere, in forma e sentire, il team ha dimostrato di poter integrare nuove funzionalità nei tessuti senza limitarne la vestibilità.

In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati , i ricercatori, guidato da Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, e Geneviève Dion, professore associato al Westphal College of Media Arts &Design e direttore del Center for Functional Fabrics di Drexel, hanno dimostrato di poter creare un materiale altamente conduttivo, filato durevole rivestendo i filati standard a base di cellulosa con un tipo di materiale bidimensionale conduttivo chiamato MXene.

Colpire intoppi

"Gli attuali dispositivi indossabili utilizzano batterie convenzionali, che sono ingombranti e scomode, e può imporre limitazioni di progettazione al prodotto finale, " scrivono. "Pertanto, lo sviluppo di flessibilità, filati elettrochimicamente ed elettromeccanicamente attivi, che possono essere progettati e lavorati a maglia in tessuti completi forniscono nuove e pratiche intuizioni per la produzione scalabile di dispositivi basati su tessuto".

Il team ha riferito che il suo filato conduttivo racchiude più materiale conduttivo nelle fibre e può essere lavorato a maglia da una macchina per maglieria industriale standard per produrre un tessuto con capacità di prestazioni elettriche di prim'ordine. Questa combinazione di abilità e durata si distingue dal resto del settore dei tessuti funzionali odierno.

La maggior parte dei tentativi di trasformare i tessuti in una tecnologia indossabile utilizza fibre metalliche rigide che alterano la trama e il comportamento fisico del tessuto. Altri tentativi di realizzare tessuti conduttivi utilizzando nanoparticelle d'argento e grafene e altri materiali di carbonio sollevano preoccupazioni ambientali e non soddisfano i requisiti di prestazione. E i metodi di rivestimento che sono in grado di applicare con successo materiale sufficiente a un substrato tessile per renderlo altamente conduttivo tendono anche a rendere i filati e i tessuti troppo fragili per resistere alla normale usura.

"Alcune delle maggiori sfide nel nostro campo sono lo sviluppo di filati funzionali innovativi su larga scala che siano abbastanza robusti da essere integrati nel processo di produzione tessile e resistere ai lavaggi, " Dion ha detto. "Riteniamo che la dimostrazione della producibilità di qualsiasi nuovo filato conduttivo durante le fasi sperimentali sia cruciale. L'elevata conduttività elettrica e le prestazioni elettrochimiche sono importanti, ma lo sono anche i filati conduttivi che possono essere prodotti con un processo semplice e scalabile con proprietà meccaniche adatte all'integrazione tessile. Tutto deve essere preso in considerazione per il successo dello sviluppo dei dispositivi di nuova generazione che possono essere indossati come indumenti di tutti i giorni".

La combinazione vincente

Dion è stata pioniera nel campo della tecnologia indossabile, attingendo al suo background di moda e design industriale per produrre nuovi processi per la creazione di tessuti con nuove capacità tecnologiche. Il suo lavoro è stato riconosciuto dal Dipartimento della Difesa, che includeva Drexel, e Dione, nel suo sforzo di Advanced Functional Fabrics of America per rendere il paese un leader nel settore.

Ha collaborato con Gogotsi, che è uno dei principali ricercatori nel campo dei materiali conduttivi bidimensionali, per affrontare la sfida di realizzare un filato conduttivo che reggesse il lavoro a maglia, indossare e lavare.

Il gruppo di Gogotsi faceva parte del team Drexel che ha scoperto materiali bidimensionali altamente conduttivi, chiamato MXenes, nel 2011 e da allora ne stanno esplorando le eccezionali proprietà e applicazioni. Il suo gruppo ha dimostrato di poter sintetizzare MXene che si mescolano con l'acqua per creare inchiostri e rivestimenti spray senza additivi o tensioattivi, una rivelazione che li ha resi un candidato naturale per la produzione di filati conduttivi che potrebbero essere utilizzati in tessuti funzionali.

"I ricercatori hanno esplorato l'aggiunta di grafene e rivestimenti di nanotubi di carbonio al filato, il nostro gruppo ha anche esaminato una serie di rivestimenti in carbonio in passato, " Ha detto Gogotsi. "Ma raggiungere il livello di conduttività che dimostriamo con MXenes non è stato possibile fino ad ora. Si sta avvicinando alla conduttività dei filati rivestiti con nanofili d'argento, ma l'uso dell'argento nell'industria tessile è fortemente limitato a causa della sua dissoluzione e dell'effetto dannoso sull'ambiente. Inoltre, MXenes potrebbe essere utilizzato per aggiungere capacità di accumulo di energia elettrica, rilevamento, schermatura contro le interferenze elettromagnetiche e molte altre proprietà utili ai tessuti."

Nella sua forma base, carburo di titanio MXene si presenta come una polvere nera. Ma in realtà è composto da scaglie dello spessore di pochi atomi, che può essere prodotto in varie dimensioni. Fiocchi più grandi significano più superficie e maggiore conduttività, quindi il team ha scoperto che era possibile aumentare le prestazioni del filato infiltrando le singole fibre con fiocchi più piccoli e quindi rivestendo il filato stesso con uno strato di MXene a fiocchi più grandi.

Mettendolo alla prova

Il team ha creato i filati conduttivi da tre comuni, filati a base di cellulosa:cotone, bambù e lino. Hanno applicato il materiale MXene tramite rivestimento per immersione, che è un metodo di tintura standard, prima di testarli lavorando a maglia tessuti interi su una macchina per maglieria industriale, il tipo utilizzato per realizzare la maggior parte dei maglioni e delle sciarpe che vedrai questo autunno.

Ogni tipo di filato è stato lavorato a maglia in tre diversi campioni di tessuto utilizzando tre diversi modelli di punto:jersey singolo, mezzo calibro e interlock, per garantire che siano abbastanza resistenti da resistere a qualsiasi tessuto, da un maglione a maglia stretta a una sciarpa a maglia larga.

"La capacità di lavorare a maglia filati a base di cellulosa rivestiti in MXene con diversi modelli di punto ci ha permesso di controllare le proprietà del tessuto, come porosità e spessori per varie applicazioni, " scrivono i ricercatori.

Per mettere alla prova i nuovi fili in un'applicazione tecnologica, il team ha lavorato a maglia alcuni tessuti sensibili al tatto, il tipo che viene esplorato da Levi's e Yves Saint Laurent nell'ambito del progetto Jacquard di Google.

Non solo i filati conduttivi a base di MXene hanno resistito all'usura delle macchine per maglieria industriali, ma i tessuti prodotti sono sopravvissuti a una serie di test per dimostrarne la durata. tirando, torsione, piegare e, soprattutto, lavare, non ha diminuito le capacità tattili del filato, il team ha riferito, anche dopo dozzine di viaggi attraverso il ciclo di centrifuga.

Spingendo in avanti

Ma i ricercatori suggeriscono che il vantaggio finale dell'utilizzo di filati conduttivi rivestiti in MXene per produrre questi tessuti speciali è che tutte le funzionalità possono essere integrate perfettamente nei tessuti. Quindi, invece di dover aggiungere una batteria esterna per alimentare il dispositivo indossabile, o collegalo in modalità wireless al tuo smartphone, anche questi dispositivi di accumulo di energia e antenne sarebbero realizzati in tessuto, un'integrazione che, anche se letteralmente cucita, è un modo molto più semplice per incorporare la tecnologia.

"I filati elettricamente conduttivi sono la quintessenza delle applicazioni indossabili perché possono essere progettati per svolgere funzioni specifiche in un'ampia gamma di tecnologie, " loro scrivono.

L'utilizzo di filati conduttivi significa anche che è possibile una più ampia varietà di personalizzazioni e innovazioni tecnologiche attraverso il processo di lavorazione a maglia. Per esempio, "le prestazioni del sensore di pressione maglia possono essere ulteriormente migliorate in futuro cambiando il tipo di filato, modello di punto, carico di materiale attivo e lo strato dielettrico per provocare variazioni di capacità più elevate, "secondo gli autori.

Il team di Dion presso il Center for Functional Fabrics sta già mettendo alla prova questo sviluppo in numerosi progetti, inclusa una collaborazione con il produttore tessile Apex Mills, uno dei principali produttori di materiale per sedili e interni delle auto. E Gogotsi suggerisce che il prossimo passo per questo lavoro sarà mettere a punto il processo di rivestimento per aggiungere la giusta quantità di materiale MXene conduttivo al filato per usi specifici.

"Con questo filato MXene, tante applicazioni sono possibili, " Disse Gogotsi. "Si può pensare di realizzare seggiolini auto con esso in modo che l'auto conosca le dimensioni e il peso del passeggero per ottimizzare le impostazioni di sicurezza; i sensori di pressione tessile potrebbero essere nell'abbigliamento sportivo per monitorare le prestazioni, o intrecciati in tappeti per aiutare le case connesse a discernere quante persone sono a casa:la tua immaginazione è il limite".