¡¿Ese nuevo hilo?! — Los dispositivos textiles portátiles y lavables son posibles con MXene

Los investigadores de Drexel han desarrollado una forma de recubrir hilo de celulosa con escamas de un tipo de material bidimensional conductor, llamado MXene, para dotarlo de la conductividad y durabilidad que necesita para tejer tejidos funcionales.

Producir tejidos funcionales que realicen todas las funciones que queremos, manteniendo las características del tejido a las que estamos acostumbrados, no es una tarea fácil.

Dos grupos de investigadores de la Universidad de Drexel, uno que lidera el desarrollo de técnicas industriales de producción de tejidos funcionales y el otro, pionero en el estudio y aplicación de uno de los supermateriales más resistentes y conductores de electricidad que se utilizan en la actualidad, creen que tener una solución.

Han mejorado un elemento básico del textil: el hilo. Al agregar capacidades técnicas a las fibras que dan a los textiles su carácter, ajuste y tacto, el equipo ha demostrado que puede incorporar nuevas funciones a los tejidos sin limitar su portabilidad.

En un artículo publicado recientemente en la revista Advanced Functional Materials, los investigadores, dirigidos porYury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesora de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, yGeneviève Dion, profesor del Westphal College of Media Arts & Design y director del Centro de Tejidos Funcionales de Drexel, demostró que pueden crear un hilo duradero y altamente conductor recubriendo hilos estándar a base de celulosa con un tipo de material bidimensional conductor llamado MXene.

"Los dispositivos portátiles actuales utilizan baterías convencionales, que son voluminosas e incómodas y pueden imponer limitaciones de diseño al producto final", escriben. "Por lo tanto, el desarrollo de hilos flexibles, electroquímica y electromecánicamente activos, que pueden diseñarse y tejerse en tejidos completos, proporciona conocimientos nuevos y prácticos para la producción escalable de dispositivos textiles".

El equipo informó que su hilo conductor empaqueta más material conductor en las fibras y puede tejerse con 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 del campo de tejidos funcionales actual.

La mayoría de los intentos de convertir los textiles en tecnología portátil utilizan fibras metálicas rígidas que alteran la textura y el comportamiento físico de la tela. Otros intentos de fabricar textiles conductores utilizando nanopartículas de plata y grafeno y otros materiales de carbono plantean preocupaciones ambientales y no cumplen con los requisitos de rendimiento. Y los métodos de recubrimiento que logran aplicar suficiente material a un sustrato textil para hacerlo altamente conductor también tienden a hacer que los hilos y las telas sean demasiado quebradizos para soportar el desgaste normal.

"Algunos de los mayores desafíos en nuestro campo son desarrollar hilos funcionales innovadores a escala que sean lo suficientemente robustos como para integrarse en el proceso de fabricación textil y resistir el lavado", dijo Dion. “Creemos que demostrar la capacidad de fabricación de cualquier hilo conductor nuevo durante las etapas experimentales es crucial. Una alta conductividad eléctrica y un rendimiento electroquímico son importantes, pero también lo son los hilos conductores que pueden producirse mediante un proceso simple y escalable con propiedades mecánicas adecuadas para la integración textil. Todo debe tenerse en cuenta para el desarrollo exitoso de dispositivos de próxima generación que puedan usarse como prendas de uso diario”.

Dion ha sido pionera en el campo de la tecnología portátil, aprovechando su experiencia en moda y diseño industrial para producir nuevos procesos para la creación de tejidos con nuevas capacidades tecnológicas. Su trabajo ha sido reconocido por el Departamento de Defensa, que incluyó a Drexel y Dion, en su esfuerzo de Advanced Functional Fabrics of America para convertir al país en un líder en este campo.

Se asoció con Gogotsi, un investigador líder en el área de materiales conductores bidimensionales, para abordar el desafío de fabricar un hilo conductor que resistiera el tejido, el uso y el lavado.

El grupo de Gogotsi formó parte del equipo de Drexel que descubrió materiales bidimensionales altamente conductores, llamados MXenes, en 2011 y desde entonces ha estado explorando sus propiedades y aplicaciones excepcionales. Su grupo ha demostrado que puede sintetizar MXenes que se mezclan con agua 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 tejidos funcionales.

"Los investigadores han explorado la posibilidad de añadir recubrimientos de grafeno y nanotubos de carbono al hilo; nuestro grupo también ha analizado varios recubrimientos de carbono en el pasado", dijo Gogotsi. “Pero alcanzar el nivel de conductividad que demostramos con MXenes no ha sido posible hasta ahora. Se acerca a la conductividad de los hilos recubiertos con nanocables de plata, pero el uso de plata en la industria textil está muy limitado debido a su disolución y a sus efectos nocivos para el medio ambiente. Además, los MXenes podrían usarse para agregar capacidad de almacenamiento de energía eléctrica, detección, protección contra interferencias electromagnéticas y muchas otras propiedades útiles a los textiles”.

En su forma básica, el carburo de titanio MXene parece un polvo negro. Pero en realidad está compuesto de escamas de sólo unos pocos átomos de espesor, que pueden producirse en varios tamaños. Las escamas más grandes significan más superficie y mayor conductividad, por lo que el equipo descubrió que era posible aumentar el rendimiento del hilo infiltrando las fibras individuales con escamas más pequeñas y luego recubriendo el hilo con una capa de MXene de escamas más grandes.

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 telas completas en una máquina de tejer industrial, del tipo que se usa para hacer la mayoría de los suéteres y bufandas que verás este otoño.

Cada tipo de hilo se tejió en tres muestras de tela diferentes usando tres patrones de puntadas diferentes (jersey sencillo, calibre medio y entrelazado) para garantizar que sean lo suficientemente resistentes como para sostener cualquier tejido, desde un suéter de punto apretado hasta una bufanda de punto suelto.

"La capacidad de tejer hilos a base de celulosa recubiertos de MXene con diferentes patrones de puntadas nos permitió controlar las propiedades de la tela, 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 serie de pruebas para demostrar su durabilidad. Tirar, torcer, doblar y, lo más importante, lavar, no disminuyó la capacidad de detección del tacto del hilo, informó el equipo, incluso después de docenas de viajes a través del ciclo de centrifugado.

Pero los investigadores sugieren que la ventaja fundamental de utilizar hilos conductores recubiertos de 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 conectarlo de forma inalámbrica a su teléfono inteligente, estos dispositivos de almacenamiento de energía y antenas también estarían hechos de tela, una integración que, aunque literalmente cosida, es una forma mucho más sencilla. para incorporar la tecnología.

"Los hilos conductores de electricidad son esenciales para 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 mayor variedad de innovaciones y personalizaciones tecnológicas a través del proceso de tejido. Por ejemplo, “el rendimiento del sensor de presión tejido se puede mejorar aún más en el futuro cambiando el tipo de hilo, el patrón de puntada, la carga de material activo y la capa dieléctrica para dar como resultado mayores cambios de capacitancia”, según los autores.

El equipo de Dion en el Centro de Tejidos Funcionales ya está poniendo a prueba este desarrollo en varios proyectos, incluida una colaboración con el fabricante textil Apex Mills, uno de los principales productores de material para asientos e interiores de automóviles. Y Gogotsi sugiere que el siguiente paso de este trabajo será ajustar el proceso de recubrimiento para agregar la cantidad justa de material conductor MXene al hilo para usos específicos.

"Con este hilo MXene, son posibles muchas aplicaciones", dijo Gogotsi. “Se puede pensar en fabricar 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 de presión textiles podrían estar en ropa deportiva para monitorear el rendimiento, o tejidos en alfombras para ayudar a las casas conectadas a discernir cuántas personas hay en casa; su imaginación es el límite”.

Además de Gogotsi y Dion, los estudiantes de doctorado de la Facultad de Ingeniería de Drexel Simge Uzun, Mohamed Alhabeb, Ariana S. Levitt, Mark Anayee; Amy L. Stoltzfus, estudiante de maestría en Westphal College; Christina J. Strobel, estudiante de la Facultad de Ingeniería; y Joselito M. Razal y Shayan Seyedin, investigadores de la Universidad Deakin en Australia, contribuyeron a esta investigación. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

Lea el artículo completo aquí: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201905015

Drexel News es producido por University Marketing and Communications.

Relaciones con los medios

Directrices para el envío