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Aug 02, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4564 (2022) Citare questo articolo

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I recenti progressi nelle fibre MXene (Ti3C2Tx), preparate da nanofogli MXene elettricamente conduttivi e meccanicamente resistenti, rispondono alla crescente domanda di materiali elettrodici emergenti ma promettenti per lo sviluppo di dispositivi a base tessile e oltre. Tuttavia, per rivelare il pieno potenziale delle fibre di MXene, raggiungere un equilibrio tra conduttività elettrica e proprietà meccaniche è ancora la sfida fondamentale, principalmente a causa delle difficoltà nel compattare ulteriormente i nanofogli di MXene sciolti. In questo lavoro, dimostriamo un percorso continuo e controllabile per fabbricare fibre MXene ultracompatte con uno strato protettivo generato in situ attraverso la sinergia delle interazioni interfacciali e delle sollecitazioni indotte dal disegno termico. Le risultanti fibre MXene ultracompatte con orientamento elevato e bassa porosità mostrano non solo un'eccellente resistenza alla trazione e una tenacità ultraelevata, ma anche un'elevata conduttività elettrica. Quindi, costruiamo tessuti MXene su scala metro utilizzando queste fibre ultracompatte per ottenere schermatura dalle interferenze elettromagnetiche ad alte prestazioni e gestione termica personale, accompagnate da elevata durabilità meccanica e stabilità anche dopo molteplici cicli di lavaggio. La strategia generica dimostrata può essere applicata a un’ampia gamma di materiali nanostrutturati per costruire fibre funzionali per applicazioni su larga scala sia nello spazio che nella vita quotidiana.

Le fibre, in quanto elementi costitutivi dei tessuti, sono coinvolte attivamente in un’ampia gamma di attività quotidiane, tra cui la gestione della salute1, l’interazione uomo-computer2, il monitoraggio del movimento3, la robotica morbida4, la prevenzione delle malattie5 e molto altro. Mirando a ottenere fibre con elevate prestazioni meccaniche ed elettriche, varie famiglie di materiali conduttivi sono state il principale obiettivo della ricerca, che va dai materiali a base di carbonio, materiali a base di metallo, a materiali conduttivi a base di polimeri6,7,8,9,10. Tra tutti i materiali accessibili, gli MXeni, in quanto classe emergente di composti inorganici 2D, stanno emergendo ma promettendo materiali per lo sviluppo di dispositivi basati su fibre, grazie alle loro proprietà meccaniche11, elettriche12 ed elettromagnetiche superiori combinate. I nanofogli di MXene (Ti3C2Tx) possono essere preparati in nanocompositi ad alte prestazioni grazie alle loro porzioni terminate in superficie (Tx), come -OH, -O e -F14. Sono stati condotti molti studi per fabbricare fibre MXene basate su nanofogli di MXene mediante vari processi, tra cui la filatura a umido15, il rivestimento16, l'elettrofilatura17 e il metodo biscrolling18. Le fibre MXene sono state quindi fabbricate con successo con la conduttività elettrica e le proprietà meccaniche desiderate (come MXene/rGO19, nanofibrille MXene/cellulosa20, Kevlar/MXene21 e nylon/MXene22). Tuttavia, sia la conduttività elettrica che le proprietà meccaniche dei nanofogli di MXene non sono pienamente utilizzate nel fattore di forma della fibra, principalmente a causa degli strati intrinsecamente sciolti causati dai difetti strutturali (vuoti e rughe dei nanofogli di MXene) e dalle scarse interazioni interstrato tra i nanofogli di MXene23. ,24. Sono stati proposti sforzi continui per formare strutture stratificate compatte tra i nanofogli di MXene, principalmente utilizzando la filatura a umido25,26. Nonostante le prestazioni meccaniche ed elettriche migliorate, la sfida principale rimane quella di raggiungere un equilibrio tra conduttività elettrica, resistenza e tenacità, principalmente a causa delle difficoltà di compattare ulteriormente gli strati sciolti di MXene. Pertanto, per affrontare in modo fondamentale questa sfida, è altamente necessario un processo in grado di ottenere fibre MXene ultracompatte, continue e lunghe in modo controllabile, con l’obiettivo di rivelare l’intero potenziale di MXene.

Una volta ottenute le fibre con elevate prestazioni meccaniche ed elettriche, è possibile utilizzarle per costruire tessuti funzionali per una copertura su larga scala, ad esempio sul corpo umano27,28. Tuttavia, il degrado delle prestazioni di queste fibre è la ragione comune per limitarne l'uso a lungo termine, poiché sono completamente esposte all'ambiente e alla pelle29, soffrono per l'impatto fisico applicato direttamente su di esse causato dai movimenti del corpo30,31, come oltre ad essere sensibili e fragili alle manutenzioni ordinarie come il lavaggio e l'asciugatura. Per risolvere questi problemi, un metodo efficace è formare uno strato protettivo sulle superfici esterne di queste fibre. Raggiungere questo obiettivo non solo richiede ulteriori fasi del processo, ma fa sorgere anche incertezze sul controllo dell’interazione tra le fibre e i rivestimenti risultanti32. Inoltre, è necessario condurre una valutazione accurata delle proprietà delle fibre flessibili con strati protettivi per considerare scenari pratici.