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Têxteis inteligentes oferecem muitas aplicações potenciais de tecnologia vestível, desde a terapêutica até a detecção e a comunicação. Para que esses tecidos inteligentes funcionem de forma eficaz, eles precisam ser fortes, elásticos e eletricamente condutivos. No entanto, a fabricação de fibras que possuem essas três propriedades é desafiadora e requer condições e sistemas complexos.
Inspirando-se em como as aranhas tecem seda para fazer teias, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor assistente Swee-Ching Tan, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Cingapura, juntamente com seus colaboradores internacionais, desenvolveu um método inovador de produção de fibras macias que possuem essas três propriedades principais e, ao mesmo tempo, podem ser facilmente reutilizadas para produzir novas fibras. O processo de fabricação pode ser realizado em temperatura e pressão ambiente e usa menos solvente e menos energia, tornando-o uma opção atraente para a produção de fibras macias funcionais para várias aplicações inteligentes.
“As tecnologias para fabricar fibras macias devem ser simples, eficientes e sustentáveis para atender à alta demanda por eletrônicos têxteis inteligentes. As fibras macias criadas usando nosso método de fiação inspirado na aranha demonstraram ser versáteis para várias aplicações de tecnologia inteligente – por exemplo, essas fibras funcionais podem ser incorporadas a uma luva com sensor de tensão para fins de jogos e uma máscara facial inteligente para monitorar o status da respiração em condições como apneia obstrutiva do sono. Essas são apenas algumas das muitas possibilidades”, disse o Asst Prof Tan.
Sua inovação foi demonstrada e delineada em seu artigo publicado na revista científica Nature Electronics em 27 de abril de 2023.
Girando uma teia de fibras macias
Os métodos convencionais de fiação artificial para fabricar fibras sintéticas requerem alta pressão, alta entrada de energia, grandes volumes de produtos químicos e equipamentos especializados. Além disso, as fibras resultantes normalmente têm funções limitadas.
Em contraste, o processo de fiação da teia de aranha é altamente eficiente e pode formar fibras fortes e versáteis sob temperatura e pressão ambiente. Para enfrentar os desafios tecnológicos atuais, a equipe da NUS decidiu emular esse processo de fiação natural para criar fibras macias funcionais unidimensionais (1D) que são fortes, elásticas e eletricamente condutoras. Eles identificaram duas etapas únicas na formação de seda de aranha que poderiam imitar.
A formação de seda de aranha envolve a mudança de uma solução de proteína altamente concentrada, conhecida como dope de seda, em um fio de fibra. Os pesquisadores primeiro identificaram que a concentração de proteínas e as interações no dope de seda aumentam da síntese do dope para a fiação. O segundo passo identificado foi que o arranjo das proteínas dentro do dope muda quando acionado por fatores externos para ajudar a separar a parte líquida do dope de seda, deixando a parte sólida – as fibras de seda da aranha. Esta segunda etapa é conhecida como separação de fase líquido-sólido.
A equipe recriou as duas etapas e desenvolveu um novo processo de fiação conhecido como abordagem de fiação de ambiente habilitado para separação de fases (PSEA).
As fibras macias foram produzidas a partir de uma solução de gel viscoso composta de poliacrilonitrila (PAN) e íons de prata – conhecidos como PANSion – dissolvidos em dimetilformamida (DMF), um solvente comum. Essa solução de gel é conhecida como dope giratória, que se forma em um fio de fibra macia por meio do processo de fiação quando o gel é puxado e girado em condições ambientais.
Uma vez que o gel PANSion é puxado e exposto ao ar, as moléculas de água no ar agem como um gatilho para fazer com que a porção líquida do gel se separe na forma de gotículas da porção sólida do gel, este fenômeno é conhecido como não solvente efeito de separação de fase induzido por vapor. Quando separadas da fibra sólida, as gotículas da porção líquida são removidas segurando a fibra verticalmente ou em um ângulo para que a gravidade faça seu trabalho.
“A fabricação de fibras macias 1D com integração perfeita de todas as funcionalidades é muito mais difícil de alcançar e requer fabricação complicada ou vários processos de pós-tratamento. Este método inovador atende a uma necessidade não atendida de criar uma abordagem de fiação simples, porém eficiente, para produzir 1D funcional fibras macias que possuem simultaneamente funcionalidades mecânicas e elétricas unificadas”, disse o Asst Prof Tan.
Três propriedades, um método
O processo de fiação biomimética combinado com a formulação exclusiva da solução de gel permitiu que os pesquisadores fabricassem fibras macias imbuídas de três propriedades principais – fortes, elásticas e eletricamente condutoras.
Os pesquisadores testaram as propriedades mecânicas, resistência e elasticidade do gel PANSion por meio de uma série de testes de estresse e demonstraram que essa notável inovação possuía excelente resistência e elasticidade. Esses testes também permitiram aos pesquisadores deduzir que a formação de fortes redes químicas entre complexos de base metálica dentro do gel é responsável por suas propriedades mecânicas.
Uma análise mais aprofundada das fibras macias PANSion no nível molecular confirmou sua condutividade elétrica e mostrou que os íons de prata presentes no gel PANSion contribuíram para a condutividade elétrica das fibras macias.
A equipe concluiu então que as fibras macias PANSion atendem a todas as propriedades que permitiriam que fossem versáteis e potencialmente usadas em uma ampla gama de aplicações de tecnologia inteligente.
Aplicações potenciais e próximos passos
A equipe demonstrou as capacidades das fibras macias PANSion em várias aplicações, como comunicação e detecção de temperatura. As fibras PANSion foram costuradas para criar uma luva interativa que exemplificou uma luva de jogo inteligente. Quando conectada a uma interface de computador, a luva pode detectar com sucesso os gestos das mãos humanas e permitir que o usuário jogue jogos simples.
As fibras PANSion também podem detectar mudanças em sinais elétricos que podem ser usados como uma forma de comunicação como o código Morse. Além disso, essas fibras podem detectar mudanças de temperatura, uma propriedade que pode potencialmente ser capitalizada para proteger robôs de ambientes com temperaturas extremas. Os pesquisadores também costuraram fibras PANSion em uma máscara facial inteligente para monitorar as atividades respiratórias do usuário da máscara.
Além da ampla gama de aplicações potenciais das fibras macias PANSion, esta descoberta inovadora ganha pontos em sustentabilidade. As fibras PANSion podem ser recicladas por dissolução em DMF, permitindo que sejam convertidas novamente em uma solução de gel para fiar novas fibras. Uma comparação com outros métodos atuais de fiação de fibra revelou que esse novo método inspirado na aranha consome quantidades significativamente menores de energia e requer menor volume de produtos químicos.
Além dessa descoberta de ponta, a equipe de pesquisa continuará trabalhando para melhorar a sustentabilidade das fibras macias PANSion em todo o seu ciclo de produção, desde as matérias-primas até a reciclagem do produto final.
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