Vestiti indossabili e lavabili diventano hi-tech con un bagno di MXene
Un gruppo di ricerca statunitense ha messo a punto il metodo innovativo per creare tessuti con proprietà tecnologiche. Usando il MXene, un materiale conduttivo a base di carbonio, si creano filati adatti ai telai industriali, resistenti ai lavaggi e all'usura quotidiana, e con lo stesso confort di quelli naturali.
I dispositivi indossabili sono una rivoluzione, ma sono alimentati da batterie che durano troppo poco. Se un giorno non servissero più le batterie, e gli indossabili prendessero l’energia necessaria dai vestiti che indossiamo? È questa, semplificando la massimo, l’idea di un gruppo di ricerca guidato da Yury Gogotsi del College of Engineering della Drexel University e Genevieve Dion, professore associato al Westphal College of Media Arts & Design, sempre della Drexel.
In un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials, i ricercatori hanno dimostrato di poter creare un filato altamente conduttivo e resistente. Si ottiene rivestendo filati standard con un tipo di materiale conduttivo a base di carbonio bidimensionale chiamato MXene. La carta vincente è il metodo di rivestimento a immersione, simile al processo di tintura, che dà origine a un filo conduttivo abbastanza forte per poter essere tessuto con i telai industriali, e abbastanza resistente da superare i cicli di lavaggio senza degradarsi.
I ricercatori sottolineano che “gli attuali dispositivi indossabili utilizzano batterie convenzionali, che sono ingombranti e scomode, e possono imporre limiti di progettazione al prodotto finale. Lo sviluppo di filati flessibili, elettrochimicamente ed elettromeccanicamente attivi, che possano essere ingegnerizzati e lavorati a maglia per realizzare tessuti completi, fornisce nuove e pratiche intuizioni per la produzione scalabile di dispositivi a base tessile”.
Quello che ne risulta sono tessuti funzionali che svolgono tutte le funzioni che desideriamo, pur mantenendo le caratteristiche del tessuto a cui siamo abituati, senza limitarne la vestibilità. Il filato realizzato dai ricercatori racchiude il materiale conduttivo nelle fibre, e può essere lavorato a maglia con i telai industriali standard per produrre abiti con prestazioni elettriche di altissimo livello.
Per comprendere la rivoluzione basti sapere che la maggior parte dei tentativi fatti finora per trasformare i tessuti in tecnologia indossabile sono sfociati in rigide fibre metalliche, che alterano la trama e il comportamento fisico del tessuto. Altri tentativi hanno messo in campo nanoparticelle d’argento e grafene, che sollevano preoccupazioni ambientali e non soddisfano i requisiti prestazionali. I metodi di rivestimento che applicano con successo materiale conduttivo sufficiente a un substrato tessile tendono a rendere i filati e i tessuti troppo fragili per resistere alla normale usura.
Dion sottolinea infatti che “una delle maggiori sfide è ottenere filati funzionali innovativi su larga scala, che siano abbastanza robusti da essere integrati nel processo di produzione tessile e resistere ai lavaggi”. Il nuovo prodotto ha un’elevata conduttività elettrica e prestazioni elettrochimiche, è producibile con un processo semplice e scalabile, ha proprietà meccaniche adeguate per l’integrazione tessile e può essere indossato come capo di uso quotidiano.
Nella sua forma base, MXene sembra una polvere nera, in realtà è composto da fiocchi con pochi atomi di spessore. I ricercatori hanno scoperto che era possibile aumentare le prestazioni del filato infiltrando le singole fibre con fiocchi più piccoli, e quindi rivestendo il filo stesso con uno strato di MXene a fiocchi più grandi. Il gruppo di lavoro ha così creato i filati conduttivi a base di cotone, bambù e lino. Ha applicato il materiale MXene tramite dip-coating, che è un metodo di tintura standard, prima di testarli nella lavorazione a maglia con una macchina per maglieria industriale, del tipo utilizzato per realizzare la maggior parte dei maglioni e delle sciarpe in circolazione.
Ogni tipo di filato è stato lavorato a maglia in tre diversi campioni di tessuto, utilizzando tre diversi schemi di punti (maglia singola, mezzo calibro e interlock) per garantire che il risultato fosse abbastanza forte da resistere in qualsiasi tessuto, da un maglione a maglia stretta a una sciarpa a maglia larga. Questo “ci ha permesso di controllare le proprietà del tessuto, come la porosità e lo spessore per varie applicazioni”, scrivono i ricercatori. I test hanno dimostrato la resistenza a stirature, torsioni, piegature e, soprattutto, ai lavaggi, senza perdita delle capacità innovative.
Il risultato è che, secondo i ricercatori, i filati conduttivi rivestiti di MXene permetteranno di integrare nei tessuti tutte le funzionalità richieste. Invece di dover usare una batteria esterna per alimentare un dispositivo indossabile, o collegarlo allo smartphone in modalità wireless, gli accumulatori di energia e le antenne si potranno realizzare nel tessuto.
Il team di Dion presso il Center for Functional Fabrics sta già mettendo alla prova questi sviluppo in numerosi progetti, tra cui uno con la collaborazione del produttore tessile Apex Mills, uno dei principali produttori di materiale per sedili e interni per auto. Gogotsi suggerisce che il prossimo passo sarà la messa a punto del processo per usi specifici.
“Con il filato MXene si può pensare di creare seggiolini per auto in modo che l’auto conosca le dimensioni e il peso del passeggero e ottimizzi le impostazioni di sicurezza; si potrebbero integrare nell’abbigliamento sportivo sensori di pressione tessile per monitorare le prestazioni, o nelle trame dei tappeti per aiutare le case intelligenti a capire quante persone sono in casa. Il limite è la vostra immaginazione”.