Tirer la leçon des araignées : des chercheurs créent une méthode innovante pour produire des fibres douces et recyclables pour des textiles intelligents


Les textiles intelligents offrent de nombreuses applications 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 design 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 option intéressante pour produire des fibres souples fonctionnelles pour diverses applications 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 applications de technologie intelligente – par exemple, ces fibres fonctionnelles peuvent être incorporées dans un gant à détection de tension à des fins de jeu et dans un masque facial intelligent pour surveiller l’état respiratoire dans des conditions 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 article publié dans une revue scientifique Nature 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 plus, 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 formation de la soie d’araignée implique le changement d’une solution 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 change 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 phase (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 solution 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 conditions 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 plus difficile à réaliser et nécessite une fabrication compliquée ou de multiples processus de post-traitement. Cette méthode innovante répond à un besoin non satisfait de créer une approche de filage simple 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 unique de la solution 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 tests ont également permis aux chercheurs de déduire que la formation de réseaux chimiques forts entre les complexes à base de métaux au sein du gel est responsable de ses propriétés mécaniques.

Une analyse plus 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.

Applications potentielles et prochaines étapes

L’équipe a démontré les capacités des fibres souples PANSion dans un certain nombre d’applications, telles que la communication 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 communication comme le code Morse. De plus, ces fibres pourraient détecter les changements de température, une propriété qui peut potentiellement être mise à profit pour protéger les robots des environnements aux températures extrêmes. Les chercheurs ont également cousu des fibres PANSion dans un masque facial intelligent pour surveiller les activités respiratoires du porteur du masque.

En plus de la large gamme d’applications potentielles des fibres souples PANSion, cette découverte innovante gagne des points 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 solution 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 long de son cycle de production, des matières premières au recyclage du produit final.

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