Pour la première fois, les chercheurs du MIT et de l'AFFOA ont produit des fibres avec des composants électroniques intégrés qui sont si flexibles qu'elles peuvent être tissées dans des tissus doux et transformées en vêtements portables. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Le dernier développement en matière de textiles et de fibres est une sorte de matériel souple que vous pouvez porter :un tissu dans lequel sont intégrés des appareils électroniques.
Les chercheurs du MIT ont maintenant intégré des dispositifs semi-conducteurs optoélectroniques à grande vitesse, y compris les diodes électroluminescentes (LED) et les photodétecteurs à diodes, dans des fibres qui ont ensuite été tissées à Inman Mills, en Caroline du Sud, en doux, tissus lavables et transformés en systèmes de communication. Cela marque la réalisation d'un objectif longtemps recherché de créer des tissus "intelligents" en incorporant des dispositifs à semi-conducteurs - l'ingrédient clé de l'électronique moderne - qui était jusqu'à présent la pièce manquante pour fabriquer des tissus aux fonctionnalités sophistiquées.
Cette découverte, disent les chercheurs, pourrait déclencher une nouvelle « loi de Moore » pour les fibres, en d'autres termes, une progression rapide dans laquelle les capacités des fibres croîtraient rapidement et de façon exponentielle dans le temps, tout comme les capacités des puces électroniques ont augmenté au fil des décennies.
Les résultats sont décrits cette semaine dans le journal La nature dans un article de l'ancien étudiant diplômé du MIT Michael Rein; son conseiller de recherche Yoel Fink, professeur de science des matériaux et de génie électrique au MIT et PDG d'AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America); avec une équipe du MIT, AFFOA, Inman Mills, EPFL à Lausanne, La Suisse, et Laboratoire Lincoln.
Les fibres optiques sont traditionnellement produites en fabriquant un objet cylindrique appelé « préforme, " qui est essentiellement un modèle à grande échelle de la fibre, puis le chauffer. Le matériau ramolli est ensuite étiré ou tiré vers le bas sous tension et la fibre résultante est collectée sur une bobine.
La percée clé pour la production de ces nouvelles fibres a été d'ajouter à la préforme des diodes électroluminescentes semi-conductrices de la taille d'un grain de sable, et une paire de fils de cuivre d'une fraction de la largeur d'un cheveu. Lorsqu'il est chauffé dans un four pendant le processus de fibrage, la préforme polymère partiellement liquéfiée, formant une longue fibre avec les diodes alignées le long de son centre et reliées par les fils de cuivre.
Dans ce cas, les composants solides étaient deux types de diodes électriques fabriquées à l'aide de la technologie de micropuce standard :des diodes électroluminescentes (DEL) et des diodes photosensibles. "Les appareils et les fils conservent leurs dimensions tandis que tout se rétrécit autour d'eux" dans le processus de dessin, dit Rein. Les fibres résultantes ont ensuite été tissées en tissus, qui ont été lavés 10 fois pour démontrer leur praticité en tant que matériau possible pour les vêtements.
Fibres émettant de la lumière tissées dans les tissus. Crédit :Greg Hren. Propriétaire :Michael Rein et Yoel Fink.
"Cette approche apporte un nouvel éclairage sur le processus de fabrication des fibres, " dit Rein, qui était l'auteur principal de l'article et a développé le concept qui a conduit au nouveau processus. "Au lieu de rassembler le matériau à l'état liquide, nous avons mélangé dans des dispositifs sous forme particulaire, avec des fils métalliques fins."
L'un des avantages de l'incorporation d'une fonction dans le matériau fibreux lui-même est que la fibre résultante est intrinsèquement imperméable. Pour le démontrer, l'équipe a placé certaines des fibres photodétectrices à l'intérieur d'un aquarium. Une lampe à l'extérieur de l'aquarium transmettait de la musique (de manière appropriée, "Water Music" de Haendel) à travers l'eau jusqu'aux fibres sous forme de signaux optiques rapides. Les fibres dans le réservoir ont converti les impulsions lumineuses - si rapides que la lumière semble stable à l'œil nu - en signaux électriques, qui ont ensuite été convertis en musique. Les fibres ont survécu dans l'eau pendant des semaines.
Bien que le principe semble simple, le faire fonctionner de manière cohérente, et s'assurer que les fibres peuvent être fabriquées de manière fiable et en quantité, a été un processus long et difficile. Le personnel de l'Institut Advanced Functional Fabric of America, dirigé par Jason Cox et Chia-Chun Chung, développé les voies pour augmenter le rendement, débit, et la fiabilité globale, préparer ces fibres pour la transition vers l'industrie. À la fois, Marty Ellis d'Inman Mills a développé des techniques pour tisser ces fibres en tissus à l'aide d'un métier à tisser industriel conventionnel à l'échelle de la fabrication.
"Cet article décrit une voie évolutive pour incorporer des dispositifs semi-conducteurs dans les fibres. Nous anticipons l'émergence d'un analogue de la 'loi de Moore' dans les fibres dans les années à venir, " Fink dit. " Cela nous permet déjà d'étendre les capacités fondamentales des tissus pour englober les communications, éclairage, suivi physiologique, et plus. Dans les années à venir, les tissus offriront des services à valeur ajoutée et ne seront plus uniquement sélectionnés pour l'esthétique et le confort."
Il dit que les premiers produits commerciaux intégrant cette technologie arriveront sur le marché dès l'année prochaine, une progression extraordinairement courte de la recherche en laboratoire à la commercialisation. Un développement aussi rapide du laboratoire au marché a été un élément clé de la raison de la création d'une collaboration universitaire-industrie-gouvernement telle que l'AFFOA en premier lieu, il dit. Ces premières applications seront des produits spécialisés impliquant les communications et la sécurité. "Ce sera le premier système de communication en tissu. Nous sommes actuellement en train de transférer la technologie aux fabricants et à l'industrie nationaux à une vitesse et à une échelle sans précédent, " il dit.
En plus des applications commerciales, Fink a déclaré que le département américain de la Défense, l'un des principaux partisans de l'AFFOA, "explore les applications de ces idées à nos femmes et hommes en uniforme".
Au-delà de la communication, les fibres pourraient potentiellement avoir des applications importantes dans le domaine biomédical, disent les chercheurs. Par exemple, des dispositifs utilisant de telles fibres pourraient être utilisés pour fabriquer un bracelet qui pourrait mesurer le pouls ou les niveaux d'oxygène dans le sang, ou être tissé dans un bandage pour surveiller en permanence le processus de guérison.
