Ce nouveau fil ? ! — Des appareils textiles portables et lavables sont possibles avec MXene

Les chercheurs de Drexel ont mis au point un moyen d'enduire le fil de cellulose de flocons d'un type de matériau bidimensionnel conducteur, appelé MXene, pour lui conférer la conductivité et la durabilité dont il a besoin pour être tricoté dans des tissus fonctionnels.

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

Deux groupes de chercheurs de l'Université Drexel - l'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 super matériaux les plus solides et les plus conducteurs d'électricité utilisés aujourd'hui - croient 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 aux textiles leur caractère, leur coupe et leur toucher, l'équipe a montré qu'elle pouvait intégrer de nouvelles fonctionnalités dans les tissus sans limiter leur portabilité.

Dans un article récemment publié dans la revue Advanced Functional Materials, les chercheurs, dirigés parYury Gogotsi, PhD, Distinguished University et professeur de Bach au Drexel's College of Engineering, etGeneviève Dion, professeur au Westphal College of Media Arts & Design et directeur du Drexel's Center for Functional Fabrics, a montré qu'il était possible de créer un fil hautement conducteur et durable en enduisant des fils standard à base de cellulose d'un type de matériau bidimensionnel conducteur appelé MXene.

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

L'équipe a rapporté 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 capacités de performances électriques de premier ordre. Cette combinaison de capacité et de durabilité se distingue aujourd'hui du reste du domaine des tissus fonctionnels.

La plupart des tentatives visant à 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, 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 consistent à développer à grande échelle des fils fonctionnels innovants 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 fabricabilité de tout nouveau fil conducteur au cours des étapes expérimentales. Une conductivité électrique et des performances électrochimiques élevées sont importantes, mais il en va de même pour les fils conducteurs qui peuvent être produits par un processus simple et évolutif avec des propriétés mécaniques adaptées à l'intégration textile. Tout doit être pris en considération pour le développement réussi des dispositifs de nouvelle génération qui peuvent être portés comme des vêtements de tous les jours.

Dion a été une pionnière dans le domaine de la technologie portable, en s'appuyant sur son expérience en mode et en 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 chef de file dans le domaine.

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

Le groupe de Gogotsi faisait partie de l'équipe Drexel qui a découvert des matériaux bidimensionnels hautement conducteurs, appelés MXenes, en 2011 et explore depuis lors leurs propriétés et applications exceptionnelles. 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 examiné un certain nombre de revêtements de carbone dans le passé", a déclaré Gogotsi. « Mais atteindre le niveau de conductivité que nous démontrons avec les MXenes n'a pas été possible jusqu'à présent. Il se rapproche de la conductivité des fils enduits 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.

Dans sa forme de base, le carbure de titane MXene ressemble à une poudre noire. Mais il est en fait composé de flocons de quelques atomes d'épaisseur seulement, qui peuvent être produits à différentes tailles. Des flocons plus gros signifient une plus grande surface et une plus grande conductivité, de sorte que l'équipe a 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 plus gros flocons.

L'équipe a créé les fils conducteurs à partir de trois fils courants à base de cellulose : le coton, le bambou et le lin. Ils ont appliqué le matériau MXene par trempage, qui est une méthode de teinture standard, avant de les tester en tricotant des tissus complets sur une machine à tricoter industrielle - le type 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 tricot serré à une écharpe en tricot 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, telles que la porosité et l'épaisseur pour diverses applications", écrivent les chercheurs.

Pour 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 leur durabilité. Tirer, tordre, plier et, surtout, laver, n'a pas diminué les capacités de détection tactile du fil, a rapporté l'équipe, même après des dizaines de voyages dans le cycle d'essorage.

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 à le connecter sans fil à votre smartphone, ces dispositifs de stockage d'énergie et ces antennes seraient également en tissu - une intégration qui, bien que littéralement cousue, est une manière beaucoup plus fluide d'intégrer la technologie.

"Les fils conducteurs d'électricité sont la quintessence des applications portables car ils peuvent être conçus pour remplir des fonctions spécifiques dans un large éventail de technologies", écrivent-ils.

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

L'équipe de Dion au Center for Functional Fabrics met déjà ce développement à l'épreuve dans un certain nombre de projets, y compris une collaboration avec le fabricant de textile 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 consistera à ajuster le processus de revêtement pour ajouter juste la bonne quantité de matériau MXene conducteur au fil pour des utilisations spécifiques.

"Avec ce fil MXene, de nombreuses applications sont possibles", a déclaré Gogotsi. "Vous pouvez penser à en faire des sièges d'auto afin que la voiture connaisse la taille et le poids du passager pour optimiser les paramètres de sécurité ; les capteurs de pression textiles peuvent être intégrés aux vêtements de sport pour surveiller les performances, ou tissés dans les tapis pour aider les maisons connectées à discerner le nombre de personnes à la maison. Votre imagination est la limite."

Outre Gogotsi et Dion, les doctorants du Drexel College of Engineering Simge Uzun, Mohamed Alhabeb, Ariana S. Levitt, Mark Anayee; Amy L. Stoltzfus, étudiante à la maîtrise au Westphal College; Christina J. Strobel, étudiante de premier cycle au College of Engineering; et Joselito M. Razal, et Shayan Seyedin, chercheurs à l'Université Deakin en Australie, ont contribué à cette recherche. Le travail a été soutenu par le département américain de l'énergie.

Lisez l'article complet ici : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201905015

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