Marie Rousseau
Les textiles intelligents offrent de nombreuses apps technologiques portables potentielles, de la thérapeutique à la détection en passant par la communication. Pour que ces textiles intelligents fonctionnent efficacement, ils doivent être solides, extensibles et conducteurs d’électricité. Cependant, la fabrication de fibres possédant ces trois propriétés est un défi et nécessite des conditions et des systèmes complexes.
S’inspirant de la façon dont les araignées tissent la soie pour fabriquer des toiles, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur adjoint Swee-Ching Tan du Département de science et d’ingénierie des matériaux du Collège de layout et d’ingénierie de l’Université nationale de Singapour, ainsi que leurs collaborateurs internationaux, ont a développé une méthode innovante de production de fibres souples qui possèdent ces trois propriétés clés, et qui peuvent en même temps être facilement réutilisées pour produire de nouvelles fibres. Le processus de fabrication peut être effectué à température et pression ambiantes et utilise moins de solvant ainsi que moins d’énergie, ce qui en fait une choice intéressante pour produire des fibres souples fonctionnelles pour diverses apps intelligentes.
“Les technologies de fabrication de fibres souples doivent être simples, efficaces et durables pour répondre à la forte demande d’électronique textile intelligente. Il a été démontré que les fibres souples créées à l’aide de notre méthode de filature inspirée de l’araignée sont polyvalentes pour diverses programs de technologie intelligente – par exemple, ces fibres fonctionnelles peuvent être incorporées dans un gant à détection de rigidity à des fins de jeu et dans un masque facial intelligent pour surveiller l’état respiratoire dans des situations telles que l’apnée obstructive du sommeil. Ce ne sont là que quelques-unes des nombreuses possibilités », a déclaré Asst Prof Tan.
Leur innovation a été démontrée et décrite dans leur posting publié dans la revue scientifique Character Electronics le 27 avril 2023.
Tisser une toile de fibres douces
Les méthodes conventionnelles de filature artificielle pour fabriquer des fibres synthétiques nécessitent une haute pression, un apport d’énergie élevé, de grands volumes de produits chimiques et un équipement spécialisé. De furthermore, les fibres résultantes ont généralement des fonctions limitées.
En revanche, le processus de filage de la soie d’araignée est très efficace et peut former des fibres solides et polyvalentes à température et pression ambiantes. Pour relever les défis technologiques actuels, l’équipe NUS a décidé d’imiter ce processus de filage naturel pour créer des fibres souples fonctionnelles unidimensionnelles (1D) solides, extensibles et électriquement conductrices. Ils ont identifié deux étapes uniques dans la formation de la soie d’araignée qu’ils pourraient imiter.
La development de la soie d’araignée implique le changement d’une answer protéique hautement concentrée, connue sous le nom de dope de soie, en un brin de fibre. Les chercheurs ont d’abord identifié que la concentration de protéines et les interactions dans la dope de soie augmentaient de la synthèse de dope à la filature. La deuxième étape identifiée était que la disposition des protéines dans la dope improve lorsqu’elle est déclenchée par des facteurs externes pour aider à séparer la partie liquide de la dope de soie, laissant la partie solide – les fibres de soie d’araignée. Cette deuxième étape est connue sous le nom de séparation de phases liquide-solide.
L’équipe a recréé les deux étapes et développé un nouveau processus de filage connu sous le nom d’approche de filage ambiant activé par séparation de section (PSEA).
Les fibres souples ont été filées à partir d’une solution de gel visqueux composée de polyacrylonitrile (PAN) et d’ions d’argent – appelés PANSion – dissous dans du diméthylformamide (DMF), un solvant courant. Cette remedy de gel est connue sous le nom de dope de filage, qui se transforme en un brin de fibre douce à travers le processus de filage lorsque le gel est tiré et filé dans des disorders ambiantes.
Une fois que le gel PANSion est tiré et exposé à l’air, les molécules d’eau dans l’air agissent comme un déclencheur pour provoquer la séparation de la partie liquide du gel sous forme de gouttelettes de la partie solide du gel, ce phénomène est connu sous le nom de non-solvant effet de séparation de phase induit par la vapeur. Lorsqu’elles sont séparées de la fibre solide, les gouttelettes de la partie liquide sont éliminées en tenant la fibre verticalement ou à un angle pour que la gravité fasse son travail.
“La fabrication de fibres souples 1D avec une intégration transparente de fonctionnalités complètes est beaucoup as well as difficile à réaliser et nécessite une fabrication compliquée ou de multiples processus de article-traitement. Cette méthode innovante répond à un besoin non satisfait de créer une approche de filage basic mais efficace pour produire 1D fonctionnel fibres souples qui possèdent simultanément des fonctionnalités mécaniques et électriques unifiées », a déclaré le professeur Asst Tan.
Trois propriétés, une méthode
Le processus de filage biomimétique combiné à la formulation distinctive de la remedy de gel a permis aux chercheurs de fabriquer des fibres souples imprégnées de trois propriétés clés : solides, extensibles et conductrices d’électricité.
Les chercheurs ont testé les propriétés mécaniques, la résistance et l’élasticité du gel PANSion à travers une série de tests de résistance et ont démontré que cette innovation remarquable possédait une excellente résistance et élasticité. Ces checks ont également permis aux chercheurs de déduire que la development de réseaux chimiques forts entre les complexes à base de métaux au sein du gel est responsable de ses propriétés mécaniques.
Une analyse furthermore approfondie des fibres souples PANSion au niveau moléculaire a confirmé sa conductivité électrique et a montré que les ions d’argent présents dans le gel PANSion contribuaient à la conductivité électrique des fibres souples.
L’équipe a ensuite conclu que les fibres souples PANSion remplissent toutes les propriétés qui lui permettraient d’être polyvalentes et potentiellement utilisées dans une large gamme d’applications technologiques intelligentes.
Apps potentielles et prochaines étapes
L’équipe a démontré les capacités des fibres souples PANSion dans un certain nombre d’applications, telles que la interaction et la détection de température. Les fibres PANSion ont été cousues pour créer un gant interactif qui illustrait un gant de jeu intelligent. Lorsqu’il est connecté à une interface informatique, le gant peut détecter avec succès les gestes de la main humaine et permettre à un utilisateur de jouer à des jeux simples.
Les fibres PANSion pourraient également détecter les changements dans les signaux électriques qui pourraient être utilisés comme une forme de conversation comme le code Morse. De furthermore, ces fibres pourraient détecter les changements de température, une propriété qui peut potentiellement être mise à gain pour protéger les robots des environnements aux températures extrêmes. Les chercheurs ont également cousu des fibres PANSion dans un masque facial smart pour surveiller les activités respiratoires du porteur du masque.
En plus de la huge gamme d’applications potentielles des fibres souples PANSion, cette découverte innovante gagne des details en matière de durabilité. Les fibres PANSion pourraient être recyclées en se dissolvant dans du DMF, ce qui leur permettrait d’être reconverties en une answer de gel pour filer de nouvelles fibres. Une comparaison avec d’autres méthodes actuelles de filature de fibres a révélé que cette nouvelle méthode inspirée de l’araignée consomme des quantités d’énergie nettement inférieures et nécessite un volume de produits chimiques inférieur.
Suite à cette découverte de pointe, l’équipe de recherche continuera à travailler sur l’amélioration de la durabilité des fibres souples PANSion tout au lengthy de son cycle de production, des matières premières au recyclage du produit ultimate.
