Producir telas funcionales que realicen todas las funciones que deseamos, manteniendo las características de la tela a la que estamos acostumbrados no es tarea fácil.
Dos grupos de investigadores de la Universidad de Drexel: uno, que lidera el desarrollo de técnicas de producción industrial de tejidos funcionales, y el otro, pionero en el estudio y la aplicación de uno de los supermateriales más fuertes y eléctricamente conductores más utilizados en la actualidad.- Creo que tienen una solución.
Han mejorado un elemento básico de los textiles: el hilo. Al agregar capacidades técnicas a las fibras que le dan a los textiles su carácter, ajuste y tacto, el equipo ha demostrado que puede tejer nuevas funciones en las telas sin limitar su capacidad de uso.
en un artículo publicado recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados , los investigadores, liderados por Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesor de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, y Genevieve Dion, profesora asociada en la Facultad de Artes y Diseño de Medios de Westphal y directora del Centro de Tejidos Funcionales de Drexel, mostraron quepueden crear un hilo altamente conductor y duradero recubriendo hilos estándar a base de celulosa con un tipo de material conductivo bidimensional llamado MXene.
Golpeando inconvenientes
escriben. "" Los wearables actuales utilizan baterías convencionales, que son voluminosas e incómodas, y pueden imponer limitaciones de diseño al producto final ". Por lo tanto, el desarrollo de hilos flexibles, electroquímicos y electromecánicamente activos, que pueden ser diseñados y tejidoslos tejidos completos proporcionan información nueva y práctica para la producción escalable de dispositivos textiles ".
El equipo informó que su hilo conductor empaqueta más material conductor en las fibras y puede ser tejido por una máquina de tejer industrial estándar para producir un textil con capacidades de rendimiento eléctrico de primer nivel. Esta combinación de capacidad y durabilidad se distingue del resto deel campo funcional de la tela hoy.
La mayoría de los intentos de convertir textiles en tecnología portátil usan fibras metálicas rígidas que alteran la textura y el comportamiento físico de la tela. Otros intentos de fabricar textiles conductivos con nanopartículas de plata y grafeno y otros materiales de carbono plantean preocupaciones ambientales y no cumplen con los requisitos de rendimientoY los métodos de recubrimiento que pueden aplicar con éxito suficiente material a un sustrato textil para hacerlo altamente conductor también tienden a hacer que los hilos y las telas sean demasiado frágiles para soportar el desgaste normal.
"Algunos de los mayores desafíos en nuestro campo son el desarrollo de hilos funcionales innovadores a escala que sean lo suficientemente robustos como para integrarse en el proceso de fabricación textil y soportar el lavado", dijo Dion. "Creemos que demostrar la capacidad de fabricación de cualquier hilo conductor nuevodurante las etapas experimentales es crucial. La alta conductividad eléctrica y el rendimiento electroquímico son importantes, pero también lo son los hilos conductores que se pueden producir mediante un proceso simple y escalable con propiedades mecánicas adecuadas para la integración textil. Todo esto debe tenerse en cuenta para el desarrollo exitoso dedispositivos de próxima generación que se pueden usar como prendas cotidianas "
La combinación ganadora
Dion ha sido pionera en el campo de la tecnología portátil, aprovechando su experiencia en moda y diseño industrial para producir nuevos procesos para crear telas con nuevas capacidades tecnológicas. Su trabajo ha sido reconocido por el Departamento de Defensa, que incluyó a Drexely Dion, en su esfuerzo de Advanced Functional Fabrics of America para hacer del país un líder en el campo.
Ella se asoció con Gogotsi, quien es un investigador líder en el área de materiales conductivos bidimensionales, para abordar el desafío de hacer un hilo conductor que pueda resistir el tejido, el uso y el lavado.
El grupo de Gogotsi formó parte del equipo de Drexel que descubrió materiales bidimensionales altamente conductivos, llamados MXenes, en 2011 y ha estado explorando sus propiedades y aplicaciones excepcionales desde entonces. Su grupo ha demostrado que puede sintetizar MXenes que se mezclan conagua para crear tintas y recubrimientos en aerosol sin aditivos ni tensioactivos, una revelación que los convirtió en un candidato natural para fabricar hilos conductores que podrían usarse en telas funcionales.
"Los investigadores han explorado la adición de recubrimientos de grafeno y nanotubos de carbono al hilo, nuestro grupo también ha examinado una serie de recubrimientos de carbono en el pasado", dijo Gogotsi. "Pero no ha sido posible alcanzar el nivel de conductividad que demostramos con MXenes".hasta ahora. Se está acercando a la conductividad de los hilos recubiertos de nanocables de plata, pero el uso de plata en la industria textil está severamente limitado debido a su disolución y al efecto nocivo sobre el medio ambiente. Además, los MXenes podrían usarse para agregar capacidad de almacenamiento de energía eléctrica, detección, blindaje de interferencia electromagnética y muchas otras propiedades útiles para los textiles ".
En su forma básica, el carburo de titanio MXene se ve como un polvo negro. Pero en realidad está compuesto de escamas que tienen solo unos pocos átomos de espesor, que se pueden producir en varios tamaños. Las escamas más grandes significan más área de superficie y mayor conductividad, por lo queel equipo descubrió que era posible aumentar el rendimiento del hilo al infiltrar las fibras individuales con escamas más pequeñas y luego recubrir el hilo con una capa de MXene de escamas más grandes.
Poniéndolo a prueba
El equipo creó los hilos conductores a partir de tres hilos comunes a base de celulosa: algodón, bambú y lino. Aplicaron el material MXene mediante recubrimiento por inmersión, que es un método de teñido estándar, antes de probarlos tejiendo tejidos completos en una industriamáquina de tejer: del tipo utilizado para hacer la mayoría de los suéteres y bufandas que verá este otoño.
Cada tipo de hilo se tejió en tres muestras de tela diferentes utilizando tres patrones de puntada diferentes: jersey simple, medio calibre y enclavamiento, para garantizar que sean lo suficientemente duraderos como para sostener cualquier textil desde un suéter de punto apretado hasta un flojobufanda de punto
"La capacidad de tejer hilos a base de celulosa recubiertos con MXene con diferentes patrones de puntadas nos permitió controlar las propiedades del tejido, como la porosidad y el grosor para diversas aplicaciones", escriben los investigadores.
Para poner a prueba los nuevos hilos en una aplicación tecnológica, el equipo tejió algunos textiles sensibles al tacto, del tipo que están explorando Levi's e Yves Saint Laurent como parte del Proyecto Jacquard de Google.
Los hilos conductores basados en MXene no solo resistieron el desgaste de las máquinas de tejer industriales, sino que los tejidos producidos sobrevivieron a una batería de pruebas para demostrar su durabilidad. Tirones, torsiones, flexiones y, lo más importante,El lavado informó que el equipo no disminuyó las habilidades de detección táctil del hilo, incluso después de docenas de viajes a través del ciclo de centrifugado.
empujando hacia adelante
Pero los investigadores sugieren que la ventaja final de utilizar hilos conductores recubiertos con MXene para producir estos textiles especiales es que toda la funcionalidad se puede integrar perfectamente en los textiles. Entonces, en lugar de tener que agregar una batería externa para alimentar el dispositivo portátil, o conéctelo de forma inalámbrica a su teléfono inteligente, estos dispositivos y antenas de almacenamiento de energía también estarían hechos de tela, una integración que, aunque literalmente es una forma mucho más fluida de incorporar la tecnología.
"Los hilos conductores de electricidad son la quintaesencia de las aplicaciones portátiles porque pueden diseñarse para realizar funciones específicas en una amplia gama de tecnologías", escriben.
El uso de hilos conductores también significa que es posible una variedad más amplia de personalización tecnológica e innovaciones a través del proceso de tejido de punto. Por ejemplo, "el rendimiento del sensor de presión de punto puede mejorarse en el futuro cambiando el tipo de hilo, el patrón de puntada,carga activa de material y la capa dieléctrica para dar como resultado cambios de capacitancia más altos ", según los autores.
El equipo de Dion en el Centro de Tejidos Funcionales ya está poniendo a prueba este desarrollo en una serie de proyectos, incluida una colaboración con el fabricante de textiles Apex Mills, uno de los principales productores de material para asientos e interiores de automóviles. Y Gogotsi sugiereEl siguiente paso para este trabajo será ajustar el proceso de recubrimiento para agregar la cantidad correcta de material MXene conductor al hilo para usos específicos.
"Con este hilo MXene, son posibles muchas aplicaciones", dijo Gogotsi. "Puede pensar en hacer asientos para el automóvil con él para que el automóvil conozca el tamaño y el peso del pasajero para optimizar la configuración de seguridad; los sensores textiles de presión podrían estar enropa deportiva para controlar el rendimiento, o tejer en alfombras para ayudar a las casas conectadas a discernir cuántas personas hay en casa: su imaginación es el límite ".
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