В своей основной форме карбид титана MXene выглядит как черный порошок. Но на самом деле он состоит из хлопьев, толщиной всего в несколько атомов, которые могут быть произведены в различных размерах. Чем больше хлопья, тем больше площадь поверхности и проводимость, поэтому команда исследователей пришла к выводу, что можно повысить производительность пряжи, проникая в отдельные волокна небольшими хлопьями и покрывая их слоем MXene большего размера.
"Исследователи изучили возможность добавления графеновых и углеродных нанотрубок в пряжу, наша группа также изучила ряд углеродных покрытий в прошлом", - сказал Гогоци. "Но достичь того уровня проводимости, который мы демонстрируем с помощью MXene, до сих пор не удавалось. Она приближается к проводимости серебряной пряжи с нанопроволочным покрытием, но использование серебра в текстильной промышленности серьезно ограничено из-за его растворения и вредного воздействия на окружающую среду. Кроме того, MXene может быть использован для добавления к текстилю возможности хранения электрической энергии, датчика, защиты от электромагнитных помех и многих других полезных свойств".
Проверяем на практике.
Группа создала токопроводящую пряжу из трех видов общей целлюлозной пряжи: хлопчатобумажной, бамбуковой и льняной. Они наносили материал MXene методом окунания, который является стандартным методом окрашивания, перед тем, как испытать его, связав полные ткани на промышленной вязальной машине - такой, который используется для изготовления большинства свитеров и шарфов, которые вы увидите осенью.
Каждый тип пряжи вязали в три различных образца ткани, используя три различных рисунка стежков - одинарный трикотаж, полуколесный трикотаж и блокировку - чтобы гарантировать, что они достаточно прочны, чтобы выдержать в любом текстиле от плотно вязаного свитера до свободно вязаного шарфа.
"Способность вязать нити на основе целлюлозы с покрытием MXene с различными рисунками стежков позволила нам контролировать свойства ткани, такие как пористость и толщина для различных применений", - пишут исследователи.
Чтобы протестировать новые нити в технологическом процессе, команда связала несколько видов тканей, чувствительных к прикосновению, которые изучаются Levi's и Yves Saint Laurent в рамках проекта Google's Project Jacquard.
Проводящие пряжи на основе MXene не только выдержали износ промышленных трикотажных машин, но и выдержали серию испытаний, подтвердивших их долговечность. Вытягивание, скручивание, изгиб и, самое главное, стирка нити не уменьшили сенсорные возможности пряжи, сообщила команда, даже после десятков циклов вращения пряжи.
Продвигаясь вперед
Но исследователи предполагают, что конечным преимуществом использования проводящих нитей с покрытием MXene для производства этих специальных тканей является то, что все функциональные возможности могут быть легко интегрированы в текстиль. Таким образом, вместо добавления внешнего аккумулятора для питания носимого устройства или беспроводного подключения к смартфону, эти устройства хранения энергии и антенны будут также изготовлены из ткани - интеграция, которая, несмотря на буквальное сшивание, является гораздо более плавным способом внедрения технологии.
"Электропроводящая пряжа является квинтэссенцией для применения в износостойких областях, поскольку она может быть спроектирована для выполнения определенных функций в широком спектре технологий", - пишут они.
Использование токопроводящей пряжи также означает, что в процессе вязания возможно более широкое разнообразие технологических модификаций и инноваций. Например, по мнению авторов, "производительность датчика давления трикотажа может быть улучшена в будущем путем изменения типа пряжи, схемы стежков, активной загрузки материала и диэлектрического слоя, что приведет к более высоким изменениям емкости".
Команда Диона в Центре функциональных тканей уже опробовала эту разработку в ряде проектов, включая сотрудничество с производителем текстиля Apex Mills - одним из ведущих производителей материалов для автомобильных сидений и интерьеров. И Гогоци предлагает следующим шагом в этой работе будет настройка процесса нанесения покрытия для добавления в пряжу необходимого количества проводящего MXene-материала для конкретного использования.
"С этой MXene пряжей возможно так много применений", - сказал Гогоци. "Вы можете подумать о том, чтобы сделать с ним автокресла, чтобы автомобиль знал размер и вес пассажира для оптимизации настроек безопасности; текстильные датчики давления могут быть в спортивной одежде для контроля характеристик, или вплетены в ковры, чтобы помочь подключенным домам определить, сколько людей находится дома - все ограничено только вашим воображением."