El nailon puede parecer el material de referencia obvio para los textiles electrónicos; no solo existe una industria textil establecida basada en el nailon, pero convenientemente tiene una fase cristalina que es piezoeléctrica; tóquela y obtendrá una acumulación de carga perfecta para detectar la presión y recolectar energía del movimiento ambiental.

Desafortunadamente, No es sencillo formar nailon en fibras mientras se hace que adquiera la estructura cristalina que tiene una respuesta piezoeléctrica. "Este ha sido un desafío durante casi medio siglo, "explica Kamal Asadi, investigador del Instituto Max-Planck de Investigación de Polímeros, Alemania, y profesor de la Universidad de Bath, Reino Unido en una reciente Materiales funcionales avanzados reporte, él y sus colaboradores describen cómo finalmente han superado esto.

La fase piezoeléctrica del nailon es atractiva no solo para los textiles electrónicos, sino también para todo tipo de dispositivos electrónicos. particularmente donde hay demanda de algo menos quebradizo que las cerámicas piezoeléctricas convencionales. Sin embargo, por décadas, la única forma de producir nailon con la fase cristalina que tiene una fuerte respuesta piezoeléctrica ha sido fundirlo, enfríelo rápidamente y luego estírelo para que entre en una fase esméctica δ '. Esto produce placas con un grosor típico de decenas de micrómetros, demasiado grueso para aplicaciones en dispositivos electrónicos o textiles electrónicos.

La presencia de comportamiento piezoeléctrico proviene de los restos amida en las unidades repetidas en una cadena de polímero de nailon, y su interacción con los de la cadena vecina. Cuando estas amidas son libres de alinear sus dipolos con un campo eléctrico, es posible aprovechar el efecto piezoeléctrico en el material, como se observó por primera vez en la década de 1980. Sin embargo, Lo que sucede en la mayoría de las fases cristalinas del nailon es que estas amidas forman fuertes enlaces de hidrógeno con amidas en otras cadenas de polímero que las bloquean en su posición. impidiendo que se reorienten y alineen. Por tanto, el desafío era encontrar una manera de producir la fase que dejaba a las amidas libres para reorientarse, pero que no estaba tan limitada en las morfologías que puede producir como la fusión, enfoque fresco y estirado.

Éxito limpio

Si bien la mayoría de los grupos de investigación de todo el mundo habían abandonado los esfuerzos por producir películas o fibras piezoeléctricas en la década de 1990, la llegada al grupo de Asadi de un "estudiante brillante que era ingeniero textil" —Saleem Anwar— llevó a Asadi a analizar el problema. Los investigadores comenzaron considerando los factores esenciales para producir nailon en una fase con fuertes propiedades piezoeléctricas. El derretimiento El enfoque de enfriar y estirar depende de enfriar rápidamente el nailon, por lo que Asadi y Anwar y sus colaboradores analizaron cómo podían obtener el mismo efecto disolviendo el nailon en un solvente y luego extrayendo rápidamente ese solvente. Sin embargo, los solventes tienden a disolver el nailon atacando los enlaces de hidrógeno entre las amidas, y formando enlaces de hidrógeno en su lugar, por lo que es casi imposible deshacerse del solvente.

El avance se produjo un día cuando Anwar le contó a Asadi una observación extraña mientras limpiaba con acetona después de un experimento en el que había intentado producir películas de nailon utilizando ácido trifluoroacético (TFA) como disolvente. Los derrames de solución de nailon se habían vuelto transparentes. La sospecha de la transparencia repentina debe indicar que se estaba produciendo una reacción, el equipo preparó una solución a partir de TFA y acetona e intentó procesar nailon a partir de ella. Bastante seguro, la semana que viene, "Saleem regresó con su momento 'eureka' - '¡Lo tengo!'", Dice Asadi.

Con lo que Anwar se había topado era con el enlace de hidrógeno entre la acetona y el TFA, que se encuentra entre los enlaces de hidrógeno más fuertes conocidos por la ciencia. Entonces, cuando los investigadores colocaron la solución sobre un sustrato a alto vacío para evaporar el solvente, como dice Asadi, "Es literalmente como si la acetona tomara la mano de las moléculas de TFA y las sacara del nailon, produciendo la fase cristalina piezoeléctrica ".

Punto dulce de fibra

Los investigadores fueron los primeros en producir películas delgadas de nailon con una fuerte respuesta piezoeléctrica. Pero eso no resolvió del todo el problema de la producción de fibras, ya que los métodos de producción aún eran incompatibles con un alto vacío. Así que buscaron otras formas de controlar la tasa de extracción de solventes. Se enfocaron en producir fibras por electrohilado, en el que un campo eléctrico atrae una solución de polímero en fibras con diámetros que pueden ser tan pequeños como decenas de nanómetros de ancho, donde la alta relación superficie-volumen de la fibra produce una alta tasa de extracción por solvente. El truco consistía entonces en equilibrar esto con la viscosidad de la solución de polímero y las condiciones de electrohilado para que otros factores no se interpusieran en el camino de la formación de la fibra en la preciada fase δ '.

Los investigadores encontraron un punto óptimo entre los factores en competencia para las fibras de alrededor de 200 nm de ancho. Las mediciones del potencial generado bajo un impacto mecánico periódico a una frecuencia de 8 Hz mostraron que las fibras de la fase δ 'de 200 nm generaban 6 V, mientras que las fibras más estrechas produjeron menos de 0,6 V porque los factores asociados con la estrechez en estos anchos llevaron a que las fibras se formaran en una fase sin respuesta piezoeléctrica.

De hecho, en fibras más anchas alrededor de 1000 nm, el nailon formado en una fase cristalina γ, que tiene solo una respuesta piezoeléctrica débil, porque las fibras eran demasiado gruesas para una extracción rápida y eficaz con disolventes. La respuesta piezoeléctrica más pobre de la fase γ en las fibras más gruesas fue compensada de alguna manera por el mayor volumen de las fibras que conducen a la generación de potenciales de 4V. Sin embargo, las fibras de la fase δ 'de 200 nm todavía tenían la ventaja de una respuesta más sensible.

La sensibilidad de los cables al golpeteo sugiere una interesante gama de posibles aplicaciones, de monitoreo biométrico como mediciones de pulso, a un dispositivo que podría permitirle cargar su teléfono móvil con solo caminar con su ropa de nailon.

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