p O náilon pode parecer o material óbvio para os têxteis eletrônicos - não só existe uma indústria têxtil estabelecida com base no náilon, mas convenientemente tem uma fase cristalina que é piezoelétrica - toque nele e você obterá um acúmulo de carga perfeito para detectar a pressão e coletar energia do movimento ambiente. p Infelizmente, formar náilon em fibras e ao mesmo tempo fazer com que ele assuma a estrutura de cristal que tem uma resposta piezoelétrica não é algo simples. "Este tem sido um desafio por quase meio século, "explica Kamal Asadi, um pesquisador do Instituto Max-Planck para Pesquisa de Polímeros, Alemanha, e professor da Universidade de Bath, Reino Unido em um recente Materiais Funcionais Avançados relatório, ele e seus colaboradores descrevem como agora finalmente superaram isso.

p A fase piezoelétrica do náilon atrai não apenas os têxteis eletrônicos, mas todos os tipos de dispositivos eletrônicos, particularmente onde há demanda por algo menos frágil do que as cerâmicas piezoelétricas convencionais. Contudo, por décadas, a única maneira de produzir náilon com a fase cristalina que tem uma forte resposta piezoelétrica é derretê-lo, resfrie-o rapidamente e estique-o para que entre em uma fase esmética δ '. Isso produz placas normalmente com dezenas de micrômetros de espessura - muito grossas para aplicações em dispositivos eletrônicos ou têxteis eletrônicos.

p A presença de comportamento piezoelétrico decorre das porções de amida nas unidades de repetição em uma cadeia de polímero de náilon, e sua interação com os da cadeia vizinha. Quando essas amidas estão livres para alinhar seus dipolos com um campo elétrico, é possível explorar o efeito piezoelétrico no material, conforme observado pela primeira vez já na década de 1980. Contudo, o que acontece na maioria das fases cristalinas do náilon é que essas amidas formam fortes ligações de hidrogênio com amidas em outras cadeias de polímero que as prendem na posição, impedindo-os de reorientar e alinhar. O desafio era, portanto, encontrar uma maneira de produzir a fase que deixava as amidas livres para reorientar, mas não era tão limitada nas morfologias que pode produzir como o derretimento, abordagem fria e extensa.

p Sucesso limpo

p Embora a maioria dos grupos de pesquisa em todo o mundo tenha abandonado os esforços para produzir filmes ou fibras piezoelétricas na década de 1990, a chegada ao grupo de Asadi de um "aluno brilhante que era um engenheiro têxtil" - Saleem Anwar - levou Asadi a dar uma olhada no problema. Os pesquisadores começaram considerando os fatores essenciais para a produção de náilon em uma fase com fortes propriedades piezoelétricas. O derretimento, A abordagem resfriar e esticar depende do resfriamento rápido do náilon, então Asadi e Anwar e seus colaboradores analisaram como poderiam obter o mesmo efeito dissolvendo o náilon em um solvente e, em seguida, extraindo rapidamente esse solvente. No entanto, os solventes tendem a dissolver o náilon atacando as ligações de hidrogênio entre as amidas, e formando ligações de hidrogênio em seu lugar, de modo que é quase impossível se livrar do solvente.

p A descoberta veio um dia, quando Anwar contou a Asadi uma estranha observação durante a limpeza com acetona, após um experimento no qual ele tentou produzir filmes de náilon usando ácido tri fl uoroacético (TFA) como solvente. Os derramamentos de solução de náilon ficaram transparentes. Suspeitar da transparência repentina deve indicar que uma reação estava ocorrendo, a equipe fez uma solução de TFA e acetona e tentou processar o náilon a partir deles. Com certeza, na semana seguinte, “Saleem voltou com seu momento 'eureka' - 'Eu consegui!'”, Diz Asadi.

p O que Anwar descobriu foi a ligação de hidrogênio entre acetona e TFA, que está entre as ligações de hidrogênio mais fortes conhecidas pela ciência. Então, quando os pesquisadores colocaram a solução em um substrato em alto vácuo para evaporar o solvente, como Asadi coloca, "É literalmente como se a acetona tomasse a mão das moléculas de TFA e as carregasse para fora do náilon, produzindo a fase cristalina piezoelétrica. "

p Ponto ideal de fibra

p Os pesquisadores foram os primeiros a produzir filmes finos de náilon com uma forte resposta piezoelétrica. Mas isso não resolveu muito bem a questão da produção de fibras, pois os métodos de produção ainda eram incompatíveis com alto vácuo. Então, eles procuraram outras maneiras de controlar a taxa de extração de solvente. Eles se concentraram na produção de fibras por eletrofiação, em que um campo elétrico desenha uma solução de polímero em fibras com diâmetros que podem ser tão pequenos quanto dezenas de nanômetros de largura, onde a alta proporção de área de superfície para volume da fibra produz uma alta taxa de extração de solvente. O truque era então equilibrar isso com a viscosidade da solução de polímero e as condições de eletrofiação para que outros fatores não interferissem na formação da fibra na fase δ 'premiada.

p Os pesquisadores encontraram um ponto ideal entre os fatores concorrentes por fibras com cerca de 200 nm de largura. As medições do potencial gerado sob um impacto mecânico periódico a uma frequência de 8 Hz mostraram que as fibras da fase δ'de 200 nm geraram 6 V, ao passo que as fibras mais estreitas produziram menos de 0,6 V porque os fatores associados à estreiteza nessas larguras levaram à formação das fibras em uma fase sem resposta piezoelétrica.

p Na verdade, em fibras mais largas em torno de 1000 nm, o náilon formado em uma fase cristalina γ, que tem apenas uma resposta piezoelétrica fraca, porque as fibras eram muito espessas para uma extração rápida e eficaz com solvente. A pior resposta piezoelétrica da fase γ nas fibras mais grossas foi de alguma forma compensada pelo maior volume das fibras levando à geração de potenciais de 4V. Contudo, as fibras de fase δ 'de 200 nm ainda tinham a vantagem de uma resposta mais sensível.

p A sensibilidade dos fios à derivação sugere uma gama empolgante de possíveis aplicações, de monitoramento biométrico, como medições de pulso, a um dispositivo que permite que você carregue o seu celular apenas caminhando com seu traje de náilon. p © 2020 Science X Network