Produire des tissus fonctionnels qui remplissent toutes les fonctions que nous voulons, tout en conservant les caractéristiques du tissu auxquelles nous sommes habitués n'est pas une tâche facile.

Deux groupes de chercheurs de l'Université Drexel—un, qui dirige le développement de techniques de production de tissus fonctionnels industriels, et l'autre, un pionnier dans l'étude et l'application de l'un des plus forts, la plupart des supermatériaux conducteurs d'électricité utilisés aujourd'hui - je pense qu'ils ont une solution.

Ils ont amélioré un élément de base des textiles :le fil. En ajoutant des capacités techniques aux fibres qui donnent leur caractère aux textiles, s'adapter et se sentir, l'équipe a montré qu'elle peut tricoter de nouvelles fonctionnalités dans les tissus sans limiter leur portabilité.

Dans un article récemment publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés , les chercheurs, dirigé par Yury Gogotsi, Doctorat., Distingué Université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, et Geneviève Dion, professeur agrégé au Westphal College of Media Arts &Design et directeur du Drexel's Center for Functional Fabrics, ont montré qu'ils peuvent créer un très conducteur, fil durable en enduisant des fils à base de cellulose standard avec un type de matériau conducteur bidimensionnel appelé MXene.

Frapper les accrocs

« Les appareils portables actuels utilisent des batteries conventionnelles, qui sont encombrants et inconfortables, et peut imposer des limites de conception au produit final, " écrivent-ils. " Par conséquent, le développement de la flexibilité, fils électrochimiquement et électromécaniquement actifs, qui peuvent être conçus et tricotés dans des tissus complets fournissent des informations nouvelles et pratiques pour la production évolutive d'appareils à base de textile."

L'équipe a signalé que son fil conducteur emballe plus de matériau conducteur dans les fibres et peut être tricoté par une machine à tricoter industrielle standard pour produire un textile avec des performances électriques de premier ordre. Cette combinaison de capacité et de durabilité se distingue du reste du domaine des tissus fonctionnels aujourd'hui.

La plupart des tentatives pour transformer les textiles en technologie portable utilisent des fibres métalliques rigides qui modifient la texture et le comportement physique du tissu. D'autres tentatives de fabrication de textiles conducteurs utilisant des nanoparticules d'argent et du graphène et d'autres matériaux carbonés soulèvent des préoccupations environnementales et ne répondent pas aux exigences de performance. Et les méthodes de revêtement qui réussissent à appliquer suffisamment de matériau sur un substrat textile pour le rendre hautement conducteur ont également tendance à rendre les fils et les tissus trop cassants pour résister à l'usure normale.

"Certains des plus grands défis dans notre domaine sont le développement de fils fonctionnels innovants à grande échelle qui sont suffisamment robustes pour être intégrés dans le processus de fabrication textile et résister au lavage, " a déclaré Dion. "Nous pensons qu'il est crucial de démontrer la possibilité de fabrication de tout nouveau fil conducteur au cours des étapes expérimentales. Une conductivité électrique élevée et des performances électrochimiques sont importantes, mais il en va de même des fils conducteurs qui peuvent être produits par un procédé simple et évolutif avec des propriétés mécaniques adaptées à l'intégration textile. Tout doit être pris en considération pour le développement réussi des appareils de nouvelle génération qui peuvent être portés comme des vêtements de tous les jours. »

La combinaison gagnante

Dion a été un pionnier dans le domaine de la technologie portable, en s'appuyant sur son expérience dans la mode et le design industriel pour produire de nouveaux procédés de création de tissus dotés de nouvelles capacités technologiques. Son travail a été reconnu par le ministère de la Défense, qui comprenait Drexel, et Dion, dans son effort Advanced Functional Fabrics of America pour faire du pays un leader dans le domaine.

Elle a fait équipe avec Gogotsi, qui est un chercheur de premier plan dans le domaine des matériaux conducteurs bidimensionnels, relever le défi de fabriquer un fil conducteur qui résisterait au tricotage, porter et laver.

Le groupe de Gogotsi faisait partie de l'équipe Drexel qui a découvert des matériaux bidimensionnels hautement conducteurs, appelé MXenes, en 2011 et depuis, explorent leurs propriétés exceptionnelles et leurs applications. Son groupe a montré qu'il peut synthétiser des MXènes qui se mélangent à l'eau pour créer des encres et des revêtements par pulvérisation sans aucun additif ni tensioactif, une révélation qui en a fait un candidat naturel pour la fabrication de fils conducteurs pouvant être utilisés dans des tissus fonctionnels.

"Les chercheurs ont exploré l'ajout de revêtements de graphène et de nanotubes de carbone au fil, notre groupe a également étudié un certain nombre de revêtements de carbone dans le passé, " a déclaré Gogotsi. " Mais atteindre le niveau de conductivité que nous démontrons avec MXenes n'a pas été possible jusqu'à présent. Il se rapproche de la conductivité des fils enrobés de nanofils d'argent, mais l'utilisation de l'argent dans l'industrie textile est sévèrement limitée en raison de sa dissolution et de ses effets nocifs sur l'environnement. De plus, MXenes pourrait être utilisé pour ajouter une capacité de stockage d'énergie électrique, sentir, blindage contre les interférences électromagnétiques et de nombreuses autres propriétés utiles aux textiles."

Dans sa forme de base, le carbure de titane MXene ressemble à une poudre noire. Mais il est en fait composé de flocons qui ne font que quelques atomes d'épaisseur, qui peut être produit à différentes tailles. Des flocons plus gros signifient plus de surface et une plus grande conductivité, L'équipe a donc découvert qu'il était possible d'améliorer les performances du fil en infiltrant les fibres individuelles avec des flocons plus petits, puis en enduisant le fil lui-même d'une couche de MXene à flocons plus gros.

Le mettre à l'épreuve

L'équipe a créé les fils conducteurs à partir de trois fils à base de cellulose :coton, bambou et lin. Ils ont appliqué le matériau MXene par revêtement par immersion, qui est une méthode de teinture standard, avant de les tester en tricotant des tissus complets sur une machine à tricoter industrielle, le genre utilisé pour fabriquer la plupart des pulls et des écharpes que vous verrez cet automne.

Chaque type de fil a été tricoté en trois échantillons de tissu différents en utilisant trois motifs de points différents :jersey simple, demi-jauge et interlock - pour s'assurer qu'ils sont suffisamment durables pour tenir dans n'importe quel textile, d'un pull en maille serrée à une écharpe en maille lâche.

« La possibilité de tricoter des fils à base de cellulose enduits de MXene avec différents motifs de points nous a permis de contrôler les propriétés du tissu, tels que la porosité et l'épaisseur pour diverses applications, " écrivent les chercheurs.

Mettre les nouveaux fils à l'épreuve dans une application technologique, l'équipe a tricoté des textiles tactiles, du genre exploré par Levi's et Yves Saint Laurent dans le cadre du projet Jacquard de Google.

Non seulement les fils conducteurs à base de MXene ont résisté à l'usure des machines à tricoter industrielles, mais les tissus produits ont survécu à une batterie de tests pour prouver sa durabilité. Tirant, torsion, pliage et, surtout, lavage, n'a pas diminué les capacités tactiles du fil, l'équipe a rapporté, même après des dizaines de voyages à travers le cycle d'essorage.

Poussant vers l'avant

Mais les chercheurs suggèrent que l'avantage ultime de l'utilisation de fils conducteurs enduits de MXene pour produire ces textiles spéciaux est que toutes les fonctionnalités peuvent être intégrées de manière transparente dans les textiles. Ainsi, au lieu d'avoir à ajouter une batterie externe pour alimenter l'appareil portable, ou connectez-le sans fil à votre smartphone, ces dispositifs de stockage d'énergie et antennes seraient également en tissu - une intégration qui, bien que littéralement cousu, est un moyen beaucoup plus simple d'intégrer la technologie.

« Les fils conducteurs d'électricité sont essentiels pour les applications portables, car ils peuvent être conçus pour exécuter des fonctions spécifiques dans un large éventail de technologies, " ils écrivent.

L'utilisation de fils conducteurs signifie également qu'une plus grande variété de personnalisations et d'innovations technologiques est possible via le processus de tricotage. Par exemple, « les performances du capteur de pression tricoté peuvent être encore améliorées à l'avenir en changeant le type de fil, motif de point, charge de matériau actif et la couche diélectrique pour entraîner des changements de capacité plus élevés, " selon les auteurs.

L'équipe de Dion au Centre des tissus fonctionnels met déjà ce développement à l'épreuve dans plusieurs projets, y compris une collaboration avec le fabricant de textiles Apex Mills, l'un des principaux producteurs de matériaux pour sièges et intérieurs de voiture. Et Gogotsi suggère que la prochaine étape de ce travail sera de régler le processus de revêtement pour ajouter juste la bonne quantité de matériau conducteur MXene au fil pour des utilisations spécifiques.

"Avec ce fil MXene, tant d'applications sont possibles, " a déclaré Gogotsi. " Vous pouvez penser à faire des sièges auto avec pour que la voiture connaisse la taille et le poids du passager pour optimiser les réglages de sécurité; les capteurs de pression textiles pourraient être dans les vêtements de sport pour surveiller les performances, ou tissés dans des tapis pour aider les maisons connectées à discerner combien de personnes sont à la maison - votre imagination est la limite."