Los textiles inteligentes ofrecen muchas aplicaciones potenciales de tecnología portátil, desde la terapéutica hasta la detección y la comunicación. Para que estos textiles inteligentes funcionen de manera efectiva, deben ser fuertes, estirables y conductores de electricidad. Sin embargo, fabricar fibras que posean estas tres propiedades es un desafío y requiere condiciones y sistemas complejos.

Inspirándose en cómo las arañas tejen seda para hacer telarañas, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente Swee-Ching Tan del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur, junto con sus colaboradores internacionales, han desarrolló un método innovador para producir fibras suaves que poseen estas tres propiedades clave y, al mismo tiempo, se pueden reutilizar fácilmente para producir nuevas fibras. El proceso de fabricación se puede llevar a cabo a temperatura y presión ambiente, y utiliza menos solventes y menos energía, lo que lo convierte en una opción atractiva para producir fibras blandas funcionales para diversas aplicaciones inteligentes.

« Las tecnologías para fabricar fibras blandas deben ser simples, eficientes y sostenibles para satisfacer la gran demanda de productos electrónicos textiles inteligentes. Se ha demostrado que las fibras blandas creadas con nuestro método de hilado inspirado en la araña son versátiles para varias aplicaciones de tecnología inteligente, por ejemplo, estas fibras funcionales se pueden incorporar en un guante de detección de tensión para juegos y una máscara facial inteligente para monitorear el estado de respiración en condiciones como la apnea obstructiva del sueño. Estas son solo algunas de las muchas posibilidades « , dijo el profesor asistente Tan.

Su innovación se demostró y describió en su artículo que se publicó en la revista científica Nature Electronics el 27 de abril de 2023.

Tejiendo una red de fibras suaves

Los métodos convencionales de hilado artificial para fabricar fibras sintéticas requieren alta presión, alta energía, grandes volúmenes de productos químicos y equipo especializado. Además, las fibras resultantes suelen tener funciones limitadas.

Por el contrario, el proceso de hilado de la seda de araña es muy eficiente y puede formar fibras fuertes y versátiles a temperatura y presión ambiente. Para abordar los desafíos tecnológicos actuales, el equipo de NUS decidió emular este proceso de hilado natural para crear fibras blandas funcionales unidimensionales (1D) que son fuertes, estirables y conductoras de electricidad. Identificaron dos pasos únicos en la formación de seda de araña que podían imitar.

La formación de seda de araña implica el cambio de una solución de proteína altamente concentrada, conocida como droga de seda, en una hebra de fibra. Los investigadores primero identificaron que la concentración de proteínas y las interacciones en la droga de seda aumentan desde la síntesis de la droga hasta el hilado. El segundo paso identificado fue que la disposición de las proteínas dentro de la droga cambia cuando se desencadena por factores externos para ayudar a separar la porción líquida de la droga de seda, dejando la parte sólida : las fibras de seda de araña. Este segundo paso se conoce como separación de fases líquido-sólido.

El equipo recreó los dos pasos y desarrolló un nuevo proceso de hilado conocido como enfoque de hilado ambiental habilitado para separación de fases (PSEA).

Las fibras suaves se hilaron a partir de una solución de gel viscoso compuesto de poliacrilonitrilo (PAN) e iones de plata, denominado PANSion, disueltos en dimetilformamida (DMF), un solvente común. Esta solución de gel se conoce como droga giratoria, que se convierte en una hebra de fibra suave a través del proceso de hilatura cuando el gel se estira y gira en condiciones ambientales.

Una vez que el gel PANSion se extrae y se expone al aire, las moléculas de agua en el aire actúan como un desencadenante para que la porción líquida del gel se separe en forma de gotas de la porción sólida del gel, este fenómeno se conoce como no solvente. efecto de separación de fases inducido por vapor. Cuando se separan de la fibra sólida, las gotas de la porción líquida se eliminan sujetando la fibra verticalmente o en ángulo para que la gravedad haga su trabajo.

« La fabricación de fibras blandas 1D con una integración perfecta de todas las funcionalidades es mucho más difícil de lograr y requiere una fabricación complicada o múltiples procesos de postratamiento. Este método innovador satisface una necesidad insatisfecha de crear un enfoque de hilado simple pero eficiente para producir 1D funcional fibras blandas que poseen simultáneamente funcionalidades mecánicas y eléctricas unificadas », dijo el profesor asistente Tan.

Tres propiedades, un método

El proceso de hilado biomimético combinado con la formulación única de la solución de gel permitió a los investigadores fabricar fibras suaves que están imbuidas de tres propiedades clave : fuertes, estirables y conductoras de electricidad.

Los investigadores probaron las propiedades mecánicas, la resistencia y la elasticidad del gel PANSion a través de una serie de pruebas de estrés y demostraron que esta notable innovación poseía una excelente resistencia y elasticidad. Estas pruebas también permitieron a los investigadores deducir que la formación de fuertes redes químicas entre los complejos de base metálica dentro del gel es responsable de sus propiedades mecánicas.

Un análisis posterior de las fibras blandas PANSion a nivel molecular confirmó su conductividad eléctrica y mostró que los iones de plata presentes en el gel PANSion contribuyeron a la conductividad eléctrica de las fibras blandas.

Luego, el equipo concluyó que las fibras suaves PANSion cumplen con todas las propiedades que le permitirían ser versátil y potencialmente usarse en una amplia gama de aplicaciones de tecnología inteligente.

Posibles aplicaciones y próximos pasos

El equipo demostró las capacidades de las fibras blandas PANSion en una serie de aplicaciones, como la comunicación y la detección de temperatura. Las fibras PANSion se cosieron para crear un guante interactivo que ejemplificaba un guante de juego inteligente. Cuando se conecta a una interfaz de computadora, el guante puede detectar con éxito los gestos de las manos humanas y permitir que un usuario juegue juegos simples.

Las fibras PANSion también podrían detectar cambios en las señales eléctricas que podrían usarse como una forma de comunicación como el código Morse. Además, estas fibras podrían detectar cambios de temperatura, una propiedad que potencialmente puede capitalizarse para proteger a los robots de entornos con temperaturas extremas. Los investigadores también cosieron fibras PANSion en una máscara facial inteligente para monitorear las actividades respiratorias del usuario de la máscara.

Además de la amplia gama de aplicaciones potenciales de las fibras blandas PANSion, este descubrimiento innovador gana puntos en sostenibilidad. Las fibras PANSion podrían reciclarse disolviéndolas en DMF, lo que permitiría volver a convertirlas en una solución de gel para hilar nuevas fibras. Una comparación con otros métodos actuales de hilado de fibra reveló que este nuevo método inspirado en la araña consume cantidades significativamente menores de energía y requiere un menor volumen de productos químicos.

Además de este descubrimiento de vanguardia, el equipo de investigación seguirá trabajando para mejorar la sostenibilidad de las fibras blandas PANSion a lo largo de su ciclo de producción, desde las materias primas hasta el reciclaje del producto final.