新しい糸?! — MXene を使用するとウェアラブルで洗える繊維デバイスが可能になります

ドレクセルの研究者は、セルロース糸をMXeneと呼ばれる一種の導電性二次元材料のフレークでコーティングし、機能性生地を編むのに必要な導電性と耐久性をセルロース糸に吹き込む方法を開発した。

私たちが使い慣れた生地の特性を維持しながら、私たちが望むすべての機能を実行する機能性生地を生産することは簡単ではありません。

ドレクセル大学の 2 つの研究グループは、1 つは工業用機能性ファブリック製造技術の開発を主導し、もう 1 つは現在使用されている最も強力で最も導電性の高いスーパー材料の 1 つの研究と応用の先駆者であると考えています。解決策があります。

彼らは繊維の基本要素である糸を改良しました。 テキスタイルに特性、フィット感、感触を与える繊維に技術力を追加することで、チームは、着用性を制限することなく新しい機能を生地に編み込むことができることを示しました。

Advanced Functional Materials 誌に最近掲載された論文の中で、研究者らは次のように述べています。ユーリー・ゴゴツィ博士、著名な大学、ドレクセル工学部のバッハ教授、そしてジュヌヴィエーブ・ディオンウェストファルメディア芸術デザイン大学の教授であり、ドレクセルの機能性ファブリックセンターの所長でもある同氏は、標準的なセルロースベースの糸をMXeneと呼ばれる一種の導電性二次元材料でコーティングすることで、高導電性で耐久性のある糸を作成できることを示した。

「現在のウェアラブル製品は従来のバッテリーを利用していますが、これはかさばって使い心地が悪く、最終製品に設計上の制限を課す可能性があります」と彼らは書いている。 「したがって、加工して完全な布地に編むことができる、柔軟で電気化学的および電気機械的に活性な糸の開発は、繊維ベースのデバイスの拡張可能な生産のための新しく実用的な洞察を提供します。」

研究チームは、同社の導電性糸はより多くの導電性材料を繊維に詰め込み、標準的な工業用編み機で編んで最高の電気性能能力を備えた織物を生産できると報告した。 この能力と耐久性の組み合わせは、今日の他の機能性ファブリック分野とは一線を画しています。

テキスタイルをウェアラブル技術に変える試みのほとんどは、布地の質感や物理的挙動を変える硬い金属繊維を使用します。 銀ナノ粒子やグラフェン、その他の炭素材料を使用して導電性繊維を製造する他の試みは、環境上の懸念を引き起こし、性能要件を満たしていません。 また、繊維基材に十分な材料を塗布して導電性を高くすることに成功したコーティング方法では、糸や生地が通常の磨耗に耐えられないほど脆くなる傾向があります。

「私たちの分野における最大の課題のいくつかは、繊維製造プロセスに組み込まれ、洗濯に耐えられるほど堅牢な革新的な機能性糸を大規模に開発することです」とディオン氏は述べた。 「実験段階で新しい導電性糸の製造可能性を実証することが重要であると私たちは考えています。高い導電性と電気化学的性能は重要ですが、テキスタイル統合に適した機械的特性を備えた、シンプルで拡張可能なプロセスで製造できる導電性糸も重要です。」普段着のように着用できる次世代デバイスの開発を成功させるには、すべてを考慮する必要があります。」

ディオンは、ファッションと工業デザインの背景を活用して、新しい技術能力を備えた生地を作成するための新しいプロセスを生み出すことで、ウェアラブル テクノロジーの分野の先駆者として活躍してきました。 彼女の功績は、ドレクセル氏とディオン氏を含む国防総省によって、国をこの分野でリーダーにするための米国先進機能生地の取り組みに認められました。

彼女は、二次元導電性材料の分野の第一人者であるゴゴツィ氏と協力して、編み物、着用、洗濯に耐える導電性糸を作るという課題に取り組みました。

ゴゴツィ氏のグループは、2011 年に MXenes と呼ばれる高導電性二次元材料を発見したドレクセル チームの一員であり、それ以来、その優れた特性とその応用を研究してきました。 彼のグループは、添加剤や界面活性剤を一切使用せずに、水と混合してインクやスプレーコーティングを作成するMXeneを合成できることを示しました。この発見により、MXeneは機能性繊維に使用できる導電性糸を製造するための自然な候補となりました。

「研究者らは糸にグラフェンやカーボンナノチューブのコーティングを追加することを研究しており、私たちのグループも過去に数多くのカーボンコーティングを検討してきた」とゴゴツィ氏は語った。 「しかし、私たちがMXenesで実証したレベルの導電率を達成することは、これまで不可能でした。銀ナノワイヤでコーティングされた糸の導電率に近づきつつありますが、繊維産業での銀の使用は、その溶解と有害な影響により厳しく制限されています」さらに、MXenes を使用して、電気エネルギー貯蔵機能、感知、電磁干渉シールド、その他多くの有用な特性を繊維製品に追加することもできます。」

基本的な形状では、炭化チタン MXene は黒い粉末のように見えます。 しかし実際には、原子数個分の厚さの薄片で構成されており、さまざまなサイズで生成できます。 より大きなフレークはより大きな表面積とより大きな導電性を意味するため、研究チームは、個々の繊維に小さなフレークを浸透させ、次により大きなフレークのMXeneの層で糸自体をコーティングすることによって糸の性能を向上させることができることを発見しました。

研究チームは、綿、竹、リネンという 3 つの一般的なセルロースベースの糸から導電性糸を作成しました。 彼らは、MXene 素材を標準的な染色方法であるディップコーティングで塗布した後、工業用編み機で生地全体を編んでテストしました。この編み機は、この秋に見られるほとんどのセーターやスカーフの製造に使用されている種類です。

シングルジャージー、ハーフゲージ、インターロックという 3 つの異なるステッチパターンを使用して、各種類の糸を 3 つの異なる生地見本に編んで、しっかりと編まれたセーターから緩めに編まれたスカーフまで、あらゆるテキスタイルに十分耐えられる耐久性を確保しました。

「MXeneでコーティングされたセルロースベースの糸をさまざまなステッチパターンで編むことができるため、さまざまな用途に合わせて多孔性や厚さなどの生地の特性を制御できるようになりました」と研究者らは書いている。

新しい糸を技術応用でテストするために、チームはいくつかのタッチセンシティブ織物を編みました。これは、Google のプロジェクト Jacquard の一環として、リーバイスとイヴ・サンローランが研究している種類のものです。

MXene ベースの導電性糸は工業用編み機による磨耗に耐えるだけでなく、製造された生地はその耐久性を証明するための一連のテストに耐えました。 引っ張ったり、ねじったり、曲げたり、そして最も重要なことに洗濯しても、紡績サイクルを何十回も繰​​り返した後でも、糸の接触感知能力は低下しなかった、と研究チームは報告した。

しかし、MXene でコーティングされた導電性糸を使用してこれらの特殊な繊維を製造することの究極の利点は、すべての機能を繊維にシームレスに統合できることであると研究者らは示唆しています。 したがって、ウェアラブル デバイスに電力を供給したり、スマートフォンにワイヤレスで接続したりするために外部バッテリーを追加する代わりに、これらのエネルギー貯蔵デバイスとアンテナも同様に布地で作られることになります。文字通り継ぎ目はありますが、よりスムーズな統合です。テクノロジーを取り入れること。

「導電性糸は、幅広い技術で特定の機能を実行するように設計できるため、ウェアラブル用途には典型的なものです」と彼らは書いています。

導電性糸の使用は、編みプロセスを通じてより幅広い技術のカスタマイズと革新が可能であることも意味します。 たとえば、著者らによれば、「糸の種類、ステッチパターン、活物質の充填量、誘電体層を変更して静電容量の変化を大きくすることで、将来的にニット圧力センサーの性能をさらに向上させることができる」という。

機能性生地センターのディオン氏のチームは、カーシートおよび内装用素材の大手メーカーの 1 つである繊維メーカーのアペックス ミルズとのコラボレーションを含む、すでに多くのプロジェクトでこの開発をテストしています。 そしてゴゴツィ氏は、この研究の次のステップは、コーティングプロセスを調整して、特定の用途に適した量の導電性 MXene 素材を糸に追加することであると示唆しています。

「このMXene糸を使用すると、非常に多くの応用が可能になります」とゴゴツィ氏は語った。 「自動車が乗員の大きさと体重を把握して安全設定を最適化できるように、これを使ってカーシートを作ることも考えられます。繊維製の圧力センサーをスポーツウェアに組み込んでパフォーマンスを監視したり、カーペットに織り込んでコネクテッドハウスの人数を識別したりすることもできます」もう家にいます — あなたの想像力には限界があります。」

ゴゴツィとディオンに加えて、ドレクセル工科大学博士課程の学生シムゲ・ウズン、モハメド・アルハベブ、アリアナ・S・レビット、マーク・アナイー。 エイミー・L・ストルツファス、ウェストファル大学の修士課程の学生。 Christina J. Strobel、工学部の学部生。 オーストラリアのディーキン大学の研究者であるホセリート・M・ラザルとシャヤン・セイディンがこの研究に貢献した。 この研究は米国エネルギー省の支援を受けました。

論文全文はこちらからお読みください: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201905015

Drexel News は University Marketing and Communications によって制作されています。

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