Produzindo tecidos funcionais que realizam todas as funções que desejamos, ao mesmo tempo que manter as características do tecido a que estamos acostumados não é uma tarefa fácil.

Dois grupos de pesquisadores da Drexel University - um, que está liderando o desenvolvimento de técnicas de produção de tecidos funcionais industriais, e o outro, um pioneiro no estudo e aplicação de um dos mais fortes, a maioria dos supermateriais eletricamente condutores em uso hoje - acredite que eles têm uma solução.

Eles aprimoraram um elemento básico dos têxteis:o fio. Ao adicionar capacidades técnicas às fibras que dão caráter aos têxteis, ajuste e sinta, a equipe mostrou que pode tricotar novas funcionalidades em tecidos sem limitar sua usabilidade.

Em um artigo publicado recentemente na revista Materiais Funcionais Avançados , Os pesquisadores, liderado por Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering, e Genevieve Dion, professor associado do Westphal College of Media Arts &Design e diretor do Drexel's Center for Functional Fabrics, mostraram que eles podem criar um sistema altamente condutivo, fio durável revestindo os fios à base de celulose padrão com um tipo de material bidimensional condutor chamado MXene.

Atingindo obstáculos

"Os wearables atuais utilizam baterias convencionais, que são volumosos e desconfortáveis, e pode impor limitações de design ao produto final, "eles escrevem." Portanto, o desenvolvimento de flexibilidade, fios eletroquimicamente e eletromecanicamente ativos, que podem ser projetados e tricotados em tecidos completos, fornecem percepções novas e práticas para a produção escalonável de dispositivos à base de têxteis. "

A equipe relatou que seu fio condutor embala mais material condutor nas fibras e pode ser tricotado por uma máquina de tricô industrial padrão para produzir um tecido com recursos de desempenho elétrico de alto nível. Essa combinação de habilidade e durabilidade se diferencia do restante do campo de tecidos funcionais hoje.

A maioria das tentativas de transformar os têxteis em tecnologia vestível usa fibras metálicas rígidas que alteram a textura e o comportamento físico do tecido. Outras tentativas de fazer têxteis condutores usando nanopartículas de prata e grafeno e outros materiais de carbono levantam preocupações ambientais e ficam aquém dos requisitos de desempenho. E os métodos de revestimento que são capazes de aplicar com sucesso material suficiente a um substrato têxtil para torná-lo altamente condutor também tendem a tornar os fios e tecidos muito frágeis para suportar o desgaste normal.

"Alguns dos maiores desafios em nosso campo são o desenvolvimento de fios funcionais inovadores em escala que sejam robustos o suficiente para serem integrados ao processo de manufatura têxtil e resistir à lavagem, "Disse Dion." Acreditamos que a demonstração da capacidade de fabricação de qualquer novo fio condutor durante os estágios experimentais é crucial. Alta condutividade elétrica e desempenho eletroquímico são importantes, mas também o são os fios condutores que podem ser produzidos por um processo simples e escalonável com propriedades mecânicas adequadas para integração têxtil. Tudo deve ser levado em consideração para o desenvolvimento bem-sucedido dos dispositivos da próxima geração que podem ser usados ​​como roupas do dia a dia. "

A combinação vencedora

Dion foi pioneira no campo da tecnologia vestível, baseando-se em sua experiência em moda e design industrial para produzir novos processos de criação de tecidos com novas capacidades tecnológicas. Seu trabalho foi reconhecido pelo Departamento de Defesa, que incluiu Drexel, e Dion, em seu esforço Advanced Functional Fabrics of America para tornar o país um líder na área.

Ela se juntou a Gogotsi, que é um pesquisador líder na área de materiais condutores bidimensionais, abordar o desafio de fazer um fio condutor que resistisse ao tricô, vestindo e lavando.

O grupo de Gogotsi fazia parte da equipe da Drexel que descobriu materiais bidimensionais altamente condutores, chamado MXenes, em 2011 e desde então têm explorado suas propriedades e aplicações excepcionais para eles. Seu grupo mostrou que pode sintetizar MXenes que se misturam com água para criar tintas e revestimentos em spray sem quaisquer aditivos ou surfactantes - uma revelação que os tornou candidatos naturais para a fabricação de fios condutores que poderiam ser usados ​​em tecidos funcionais.

"Os pesquisadores exploraram a adição de revestimentos de grafeno e nanotubos de carbono ao fio, nosso grupo também analisou uma série de revestimentos de carbono no passado, "Gogotsi disse." Mas atingir o nível de condutividade que demonstramos com MXenes não foi possível até agora. Está se aproximando da condutividade de fios revestidos com nanofios de prata, mas o uso da prata na indústria têxtil é severamente limitado devido à sua dissolução e efeito prejudicial ao meio ambiente. Além disso, MXenes pode ser usado para adicionar capacidade de armazenamento de energia elétrica, de detecção, blindagem contra interferência eletromagnética e muitas outras propriedades úteis para os têxteis. "

Em sua forma básica, O carboneto de titânio MXene parece uma pólvora negra. Mas, na verdade, é composto de flocos com apenas alguns átomos de espessura, que podem ser produzidos em vários tamanhos. Flocos maiores significam mais área de superfície e maior condutividade, portanto, a equipe descobriu que era possível aumentar o desempenho do fio infiltrando as fibras individuais com flocos menores e revestindo o próprio fio com uma camada de MXene em flocos maiores.

Colocando à prova

A equipe criou os fios condutores a partir de três fios comuns, fios à base de celulose:algodão, bambu e linho. Eles aplicaram o material MXene por meio de revestimento por imersão, que é um método de tingimento padrão, antes de testá-los tricotando tecidos completos em uma máquina de tricô industrial - o tipo usado para fazer a maioria dos suéteres e cachecóis que você verá neste outono.

Cada tipo de fio foi tricotado em três amostras de tecido diferentes usando três padrões de pontos diferentes - jersey simples, meia bitola e intertravamento - para garantir que eles sejam duráveis ​​o suficiente para se manterem em qualquer tecido, desde um suéter bem tricotado a um cachecol de malha solta.

"A capacidade de tricotar fios à base de celulose revestidos com MXene com diferentes padrões de pontos nos permitiu controlar as propriedades do tecido, como porosidade e espessura para várias aplicações, "escrevem os pesquisadores.

Para testar os novos threads em uma aplicação tecnológica, a equipe tricotou alguns tecidos sensíveis ao toque - o tipo que está sendo explorado por Levi's e Yves Saint Laurent como parte do Projeto Jacquard do Google.

Não apenas os fios condutores à base de MXene resistem ao desgaste das máquinas de tricô industriais, mas os tecidos produzidos sobreviveram a uma bateria de testes para comprovar sua durabilidade. Puxando, torcendo, dobrar e, o mais importante, lavar, não diminuiu as habilidades de detecção de toque do fio, a equipe relatou - mesmo depois de dezenas de viagens pelo ciclo de rotação.

Empurrando para a frente

Mas os pesquisadores sugerem que a vantagem final de usar fios condutores revestidos com MXene para produzir esses têxteis especiais é que todas as funcionalidades podem ser integradas perfeitamente aos têxteis. Então, em vez de ter que adicionar uma bateria externa para alimentar o dispositivo vestível, ou conecte-o sem fio ao seu smartphone, esses dispositivos de armazenamento de energia e antenas seriam feitos de tecido também - uma integração que, embora literalmente com costura, é uma maneira muito mais fácil de incorporar a tecnologia.

"Os fios condutores de eletricidade são essenciais para aplicações vestíveis porque podem ser projetados para desempenhar funções específicas em uma ampla gama de tecnologias, " eles escrevem.

O uso de fios condutores também significa que uma maior variedade de personalizações e inovações tecnológicas são possíveis por meio do processo de tricô. Por exemplo, "o desempenho do sensor de pressão de malha pode ser melhorado ainda mais no futuro, mudando o tipo de fio, padrão de pontos, carregamento de material ativo e a camada dielétrica para resultar em mudanças de capacitância mais altas, "de acordo com os autores.

A equipe de Dion no Center for Functional Fabrics já está testando esse desenvolvimento em vários projetos, incluindo uma colaboração com o fabricante têxtil Apex Mills - um dos principais produtores de materiais para assentos e interiores de automóveis. E Gogotsi sugere que a próxima etapa deste trabalho será ajustar o processo de revestimento para adicionar a quantidade certa de material MXene condutor ao fio para usos específicos.

"Com este fio MXene, tantos aplicativos são possíveis, "Gogotsi disse." Você pode pensar em fazer assentos de carro com ele para que o carro saiba o tamanho e o peso do passageiro para otimizar as configurações de segurança; sensores de pressão têxtil podem estar em roupas esportivas para monitorar o desempenho, ou tecido em tapetes para ajudar casas conectadas a discernir quantas pessoas estão em casa - sua imaginação é o limite. "