Producir tejidos funcionales que realizan todas las funciones que queremos, mantener las características de la tela a las que estamos acostumbrados no es una tarea fácil.

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

Han mejorado un elemento básico de los textiles:el hilo. Al agregar capacidades técnicas a las fibras que dan a los textiles su carácter, encajar y sentir, el equipo ha demostrado que puede tejer nuevas funcionalidades en tejidos sin limitar su capacidad de uso.

En un artículo publicado recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados , los investigadores, dirigido por Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, y Genevieve Dion, profesor asociado en Westphal College of Media Arts &Design y director del Centro de Tejidos Funcionales de Drexel, demostró que pueden crear una alta conductividad, hilo duradero recubriendo hilos estándar a base de celulosa con un tipo de material conductor bidimensional llamado MXene.

Golpear obstáculos

"Los wearables actuales utilizan baterías convencionales, que son voluminosos e incómodos, y puede imponer limitaciones de diseño al producto final, "escriben". Por lo tanto, el desarrollo de flexibles, hilos electroquímica y electromecánicamente activos, que pueden diseñarse y tejerse en tejidos completos, proporcionan 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 se puede tejer 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 los tejidos funcionales en la actualidad.

La mayoría de los intentos de convertir los textiles en tecnología portátil utilizan fibras metálicas rígidas que alteran la textura y el comportamiento físico del tejido. 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 revestimiento que pueden aplicar con éxito suficiente material a un sustrato textil para hacerlo altamente conductivo también tienden a hacer que los hilos y tejidos 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 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 nuevo durante las etapas experimentales es crucial. La alta conductividad eléctrica y el 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 los dispositivos de próxima generación que se pueden usar como prendas de todos los días ".

La combinación ganadora

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

Ella se asoció con Gogotsi, quien es un investigador líder en el área de materiales conductores bidimensionales, para abordar el desafío de hacer un hilo conductor que resistiría el tejido, vistiendo y lavando.

El grupo de Gogotsi fue parte del equipo de Drexel que descubrió materiales bidimensionales altamente conductores, llamado MXenes, en 2011 y he estado explorando sus propiedades y aplicaciones excepcionales para ellos desde entonces. Su grupo ha demostrado que puede sintetizar MXenes que se mezclan con agua para crear tintas y recubrimientos en aerosol sin aditivos ni surfactantes, una revelación que los convirtió en candidatos naturales para fabricar hilos conductores que podrían usarse en tejidos funcionales.

"Los investigadores han explorado la posibilidad de añadir recubrimientos de nanotubos de carbono y grafeno al hilo, nuestro grupo también ha analizado varios revestimientos de carbono en el pasado, ", Dijo Gogotsi." Pero lograr el nivel de conductividad que demostramos con MXenes no ha sido posible hasta ahora. Se acerca 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 efecto nocivo sobre el medio ambiente. Es más, Los MXenes podrían usarse para agregar capacidad de almacenamiento de energía eléctrica, sintiendo blindaje contra interferencias electromagnéticas y muchas otras propiedades útiles para los textiles ".

En su forma básica, El carburo de titanio MXene parece una pólvora negra. Pero en realidad está compuesto de escamas que tienen solo unos pocos átomos de espesor, que se puede producir en varios tamaños. Las escamas más grandes significan más área de superficie y mayor conductividad, por lo que el equipo descubrió que era posible mejorar 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.

Poniéndolo a prueba

El equipo creó los hilos conductores a partir de tres hilos comunes, hilados a base de celulosa:algodón, bambú y lino. Aplicaron el material MXene mediante revestimiento por inmersión, que es un método de teñido estándar, antes de probarlos tejiendo telas enteras en una máquina de tejer industrial, del tipo que se usa 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 puntadas diferentes:jersey simple, calibre medio y entrelazado:para garantizar que sean lo suficientemente duraderos para sostener cualquier tejido, desde un suéter de punto apretado hasta una bufanda de punto holgado.

"La capacidad de tejer hilos a base de celulosa recubiertos con MXene con diferentes patrones de puntadas nos permitió controlar las propiedades de la tela, como la porosidad y el espesor para diversas aplicaciones, "escriben los investigadores.

Poner a prueba los nuevos hilos en una aplicación tecnológica, el equipo tejió algunos tejidos sensibles al tacto, del tipo que están siendo explorados por 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, pero los tejidos producidos sobrevivieron a una batería de pruebas para demostrar su durabilidad. Tirando, retortijón, 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.

Empujando hacia adelante

Pero los investigadores sugieren que la máxima ventaja de utilizar hilos conductores recubiertos de MXene para producir estos textiles especiales es que toda la funcionalidad se puede integrar a la perfección 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 de almacenamiento de energía y antenas también estarían hechos de tela, una integración que, aunque literalmente cosido, es una forma mucho más sencilla de 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 variedad más amplia de personalización e innovaciones 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, patrón de puntada, carga de material activo y la capa dieléctrica para dar como resultado cambios de capacitancia más altos, "según los autores.

El equipo de Dion en el Center for Functional Fabrics 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 de automóvil e interiores. Y Gogotsi sugiere que el siguiente paso para 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, tantas aplicaciones son posibles, ", Dijo Gogotsi." Puedes 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 de presión textiles podrían estar en la ropa deportiva para monitorear el rendimiento, o tejido en alfombras para ayudar a las casas conectadas a discernir cuántas personas hay en casa; su imaginación es el límite ".