Il nylon potrebbe sembrare l'ovvio materiale di riferimento per i tessuti elettronici:non solo esiste un'industria tessile consolidata basata sul nylon, ma ha convenientemente una fase cristallina che è piezoelettrica:toccala e ottieni un accumulo di carica perfetto per il rilevamento della pressione e la raccolta di energia dal movimento ambientale.

Sfortunatamente, formare il nylon in fibre mentre lo fa assumere la struttura cristallina che ha una risposta piezoelettrica non è semplice. "Questa è stata una sfida per quasi mezzo secolo, " spiega Kamal Asadi, ricercatore presso il Max-Planck Institute for Polymer Research, Germania, e professore all'Università di Bath, Regno Unito In un recente Materiali funzionali avanzati rapporto, lui ei suoi collaboratori descrivono come hanno finalmente superato questo.

La fase piezoelettrica del nylon attrae non solo i tessuti elettronici ma tutti i tipi di dispositivi elettronici, in particolare dove c'è richiesta di qualcosa di meno fragile rispetto alle tradizionali ceramiche piezoelettriche. Però, per decenni, l'unico modo per produrre nylon con la fase cristallina che ha una forte risposta piezoelettrica è stato fonderlo, raffreddarlo rapidamente e poi allungarlo in modo che prenda una fase smectic δ'. Questo produce lastre in genere spesse decine di micrometri, troppo spesse per applicazioni in dispositivi elettronici o tessuti elettronici.

La presenza di comportamento piezoelettrico deriva dalle frazioni ammidiche sulle unità ripetitive in una catena polimerica di nylon, e la loro interazione con quelli della catena vicina. Quando queste ammidi sono libere di allineare i loro dipoli con un campo elettrico, è possibile sfruttare l'effetto piezoelettrico nel materiale, come osservato per la prima volta negli anni '80. Però, ciò che accade nella maggior parte delle fasi cristalline del nylon è che queste ammidi formano forti legami idrogeno con ammidi su altre catene polimeriche che le bloccano in posizione, impedendo loro di riorientarsi e allinearsi. La sfida era quindi quella di trovare un modo per produrre la fase che lasciasse le ammidi libere di riorientarsi ma non fosse così limitato nelle morfologie che può produrre come il fuso, approccio freddo ed elastico.

Successo pulito

Mentre la maggior parte dei gruppi di ricerca in tutto il mondo aveva abbandonato gli sforzi per produrre pellicole o fibre piezoelettriche negli anni '90, l'arrivo nel gruppo di Asadi di uno "studente brillante che era un ingegnere tessile" - Saleem Anwar - ha spinto Asadi a dare un'occhiata al problema. I ricercatori hanno iniziato considerando i fattori essenziali per la produzione di nylon in una fase con forti proprietà piezoelettriche. la fusione, l'approccio fresco ed elastico si basa sul raffreddamento rapido del nylon, quindi Asadi e Anwar e i loro collaboratori hanno cercato di ottenere lo stesso effetto dissolvendo il nylon in un solvente e quindi estraendo rapidamente quel solvente. Tuttavia i solventi tendono a dissolvere il nylon attaccando i legami idrogeno tra le ammidi, e formare legami idrogeno al loro posto, in modo che sia quindi quasi impossibile sbarazzarsi del solvente.

La svolta arrivò un giorno in cui Anwar raccontò ad Asadi di una strana osservazione mentre puliva con acetone dopo un esperimento in cui aveva cercato di produrre pellicole di nylon usando l'acido trifluoroacetico (TFA) come solvente. Le fuoriuscite di soluzione di nylon erano diventate trasparenti. Sospettare l'improvvisa trasparenza deve indicare che si stava verificando una reazione, il team ha creato una soluzione da TFA e acetone e ha provato a elaborare il nylon da esso. Abbastanza sicuro, la prossima settimana, "Saleem è tornato con il suo momento 'eureka' – 'Ce l'ho!'", dice Asadi.

Quello su cui si era imbattuto Anwar era il legame idrogeno tra acetone e TFA, che è tra i legami idrogeno più forti conosciuti dalla scienza. Quindi, quando i ricercatori hanno posto la soluzione su un substrato in alto vuoto per far evaporare il solvente, come dice Asadi, "È letteralmente come se l'acetone prendesse per mano le molecole di TFA e le trasportasse fuori dal nylon, ottenendo la fase cristallina piezoelettrica."

Punto debole della fibra

I ricercatori sono stati i primi a produrre film sottili di nylon con una forte risposta piezoelettrica. Ma questo non risolveva del tutto il problema della produzione di fibre, poiché i metodi di produzione erano ancora incompatibili con il vuoto spinto. Quindi hanno cercato altri modi per controllare la velocità di estrazione del solvente. Si sono concentrati sulla produzione di fibre mediante elettrofilatura, in cui un campo elettrico attira una soluzione polimerica in fibre con diametri che possono essere larghi anche decine di nanometri, dove l'elevato rapporto superficie-volume della fibra produce un'elevata velocità di estrazione con solvente. Il trucco era quindi bilanciare questo con la viscosità della soluzione polimerica e le condizioni di elettrofilatura in modo che altri fattori non ostacolassero la formazione della fibra nella pregiata fase δ'.

I ricercatori hanno trovato un punto debole tra i fattori in competizione per le fibre larghe circa 200 nm. Le misurazioni del potenziale generato sotto un impatto meccanico periodico a una frequenza di 8 Hz hanno mostrato che le fibre di fase ' da 200 nm hanno generato 6 V, mentre le fibre più strette hanno prodotto meno di 0,6 V perché i fattori associati alla ristrettezza a queste larghezze hanno portato alla formazione delle fibre in una fase senza risposta piezoelettrica.

Infatti, in fibre più larghe intorno ai 1000 nm, il nylon formatosi in una fase cristallina, che ha solo una debole risposta piezoelettrica, perché le fibre erano troppo spesse per un'efficace estrazione rapida con solvente. La minore risposta piezoelettrica della fase nelle fibre più spesse è stata in qualche modo compensata dal maggior volume delle fibre portando alla generazione di potenziali di 4V. Però, le fibre di fase δ' da 200 nm avevano ancora il vantaggio di una risposta più sensibile.

La sensibilità dei fili alle intercettazioni suggerisce un'entusiasmante gamma di possibili applicazioni, dal monitoraggio biometrico come le misurazioni del polso, a un dispositivo che potrebbe permetterti di caricare il tuo cellulare semplicemente camminando nel tuo abbigliamento di nylon.

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