Le nylon peut sembler le matériau de prédilection pour les textiles électroniques - non seulement il existe une industrie textile établie basée sur le nylon, mais il a commodément une phase cristalline qui est piézoélectrique - appuyez dessus et vous obtenez une accumulation de charge parfaite pour la détection de la pression et la récupération de l'énergie du mouvement ambiant.

Malheureusement, transformer le nylon en fibres tout en lui faisant adopter la structure cristalline qui a une réponse piézoélectrique n'est pas simple. "C'est un défi depuis près d'un demi-siècle, " explique Kamal Asadi, chercheur à l'Institut Max-Planck de recherche sur les polymères, Allemagne, et professeur à l'Université de Bath, Royaume-Uni Dans un récent Matériaux fonctionnels avancés rapport, lui et ses collaborateurs décrivent comment ils ont enfin surmonté cela.

La phase piézoélectrique du nylon est attrayante non seulement pour les textiles électroniques, mais aussi pour toutes sortes d'appareils électroniques, en particulier là où il y a une demande pour quelque chose de moins cassant que les céramiques piézoélectriques conventionnelles. Cependant, depuis des décennies, la seule façon de produire du nylon avec la phase cristalline qui a une forte réponse piézoélectrique a été de le faire fondre, le refroidir rapidement puis l'étirer pour qu'il se mette en phase smectique δ'. Cela produit des dalles généralement de dizaines de micromètres d'épaisseur, bien trop épaisses pour des applications dans des appareils électroniques ou des textiles électroniques.

La présence d'un comportement piézoélectrique provient des fragments amide sur les unités répétitives dans une chaîne polymère de nylon, et leur interaction avec ceux de la chaîne voisine. Lorsque ces amides sont libres d'aligner leurs dipôles avec un champ électrique, il est possible d'exploiter l'effet piézoélectrique dans le matériau, comme observé pour la première fois dans les années 1980. Cependant, ce qui se passe dans la plupart des phases cristallines du nylon, c'est que ces amides forment des liaisons hydrogène fortes avec les amides sur d'autres chaînes polymères qui les bloquent en position, les empêchant de se réorienter et de s'aligner. Le défi était donc de trouver un moyen de produire la phase qui laissait les amides libres de se réorienter mais n'était pas aussi limitée dans les morphologies qu'elle peut produire que le fondu, approche cool et stretch.

Succès propre

Alors que la plupart des groupes de recherche dans le monde avaient abandonné leurs efforts pour produire des films ou des fibres piézoélectriques dans les années 1990, l'arrivée dans le groupe d'Asadi d'un « étudiant brillant qui était un ingénieur textile » - Saleem Anwar - a incité Asadi à se pencher sur le problème. Les chercheurs ont commencé par considérer les facteurs essentiels pour produire du nylon dans une phase à fortes propriétés piézoélectriques. La fonte, L'approche cool and stretch repose sur un refroidissement rapide du nylon. Asadi et Anwar et leurs collaborateurs ont donc cherché à obtenir le même effet en dissolvant le nylon dans un solvant, puis en extrayant rapidement ce solvant. Cependant les solvants ont tendance à dissoudre le nylon en attaquant les liaisons hydrogène entre les amides, et formant des liaisons hydrogène à leur place, de sorte qu'il est alors presque impossible de se débarrasser du solvant.

La percée est survenue un jour où Anwar a raconté à Asadi une étrange observation lors d'un nettoyage à l'acétone après une expérience dans laquelle il avait essayé de produire des films de nylon en utilisant de l'acide trifluoroacétique (TFA) comme solvant. Les déversements de solution de nylon étaient devenus transparents. Soupçonner la transparence soudaine doit indiquer qu'une réaction était en cours, l'équipe a fabriqué une solution à partir de TFA et d'acétone et a essayé de traiter le nylon à partir de celui-ci. Assez sur, la semaine suivante, "Saleem est revenu avec son moment 'eureka' - 'Je l'ai !'", dit Asadi.

Ce sur quoi Anwar était tombé, c'était la liaison hydrogène entre l'acétone et le TFA, qui est parmi les liaisons hydrogène les plus fortes connues de la science. Ainsi, lorsque les chercheurs ont déposé la solution sur un substrat sous vide poussé pour évaporer le solvant, comme le dit Asadi, "C'est littéralement comme si l'acétone prenait la main des molécules de TFA et les transportait hors du nylon, donnant la phase cristalline piézoélectrique."

Point doux des fibres

Les chercheurs ont été les premiers à produire des films minces de nylon avec une forte réponse piézoélectrique. Mais cela n'a pas tout à fait résolu le problème de la production de fibres, car les méthodes de production étaient encore incompatibles avec un vide poussé. Ils ont donc cherché d'autres moyens de contrôler le taux d'extraction par solvant. Ils se sont concentrés sur la production de fibres par électrofilage, dans lequel un champ électrique entraîne une solution de polymère dans des fibres dont le diamètre peut être aussi petit que des dizaines de nanomètres de large, où le rapport surface/volume élevé de la fibre donne un taux d'extraction par solvant élevé. L'astuce consistait alors à équilibrer cela avec la viscosité de la solution de polymère et les conditions d'électrofilage afin que d'autres facteurs n'entravent pas la formation de la fibre dans la phase δ' prisée.

Les chercheurs ont trouvé un point idéal entre les facteurs concurrents pour les fibres d'environ 200 nm de large. Des mesures du potentiel généré sous un impact mécanique périodique à une fréquence de 8 Hz ont montré que les fibres de phase δ' de 200 nm généraient 6 V, tandis que les fibres plus étroites produisaient moins de 0,6 V car les facteurs associés à l'étroitesse à ces largeurs conduisaient à la formation des fibres dans une phase sans réponse piézoélectrique.

En réalité, dans des fibres plus larges autour de 1000 nm, le nylon formé dans une phase cristalline γ, qui n'a qu'une faible réponse piézoélectrique, parce que les fibres étaient trop épaisses pour une extraction rapide efficace par solvant. La réponse piézoélectrique plus faible de la phase dans les fibres plus épaisses a été en quelque sorte compensée par le plus grand volume des fibres conduisant à la génération de potentiels de 4V. Cependant, les fibres de phase δ' de 200 nm avaient encore l'avantage d'une réponse plus sensible.

La sensibilité des fils au taraudage suggère une gamme passionnante d'applications possibles, de la surveillance biométrique telle que les mesures du pouls, à un appareil qui pourrait vous permettre de recharger votre téléphone portable simplement en vous promenant dans vos vêtements en nylon.

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