Los ingenieros del MIT se han desarrollado a sí mismos

Por Jennifer Chu, Instituto de Tecnología de Massachusetts 17 de marzo de 2021

Los ingenieros del MIT han desarrollado tejidos autorrefrigerantes a partir de polietileno, comúnmente utilizados en bolsas de plástico. Estiman que el nuevo tejido puede ser más sostenible que el algodón y otros textiles comunes. Crédito: Imagen cortesía de Svetlana Boriskina

Los ingenieros han desarrollado tejidos autorrefrigerantes a partir de polietileno, un material comúnmente utilizado en bolsas de plástico.

Al considerar materiales que podrían convertirse en los tejidos del futuro, los científicos han descartado en gran medida una opción ampliamente disponible: el polietileno.

El polietileno, que se encuentra en los envoltorios de plástico y en las bolsas de supermercado, es delgado y liviano, y puede mantenerte más fresco que la mayoría de los textiles porque deja pasar el calor en lugar de atraparlo. Pero el polietileno también retiene el agua y el sudor, ya que no puede expulsarlo. y evaporar la humedad. Esta propiedad anti-transpirabilidad ha sido un importante factor disuasivo para la adopción del polietileno como textil portátil.

Now, MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Los ingenieros del MIT han convertido el polietileno en fibras e hilos diseñados para eliminar la humedad. Tejieron los hilos en telas ligeras y sedosas que absorben y evaporan el agua más rápidamente que los textiles comunes como el algodón, el nailon y el poliéster.

También han calculado la huella ecológica que tendría el polietileno si se produjera y utilizara como textil. Contrariamente a la mayoría de las suposiciones, estiman que los tejidos de polietileno pueden tener un impacto ambiental menor durante su ciclo de vida que los textiles de algodón y nailon.

Los investigadores esperan que las telas hechas de polietileno puedan proporcionar un incentivo para reciclar bolsas de plástico y otros productos de polietileno para convertirlos en textiles portátiles, lo que aumentará la sostenibilidad del material.

“Cuando alguien tira una bolsa de plástico al océano, eso es un problema. Pero esas bolsas podrían reciclarse fácilmente, y si se puede convertir el polietileno en una zapatilla o una sudadera con capucha, tendría sentido económico recoger estas bolsas y reciclarlas”, dice Svetlana Boriskina, científica investigadora del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Boriskina and her colleagues have published their findings on March 15, 2021, in Nature SustainabilityNature Sustainability is a scientific journal that focuses on research related to sustainable development, which aims to meet the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs. The journal publishes original research articles, reviews, and perspectives across a wide range of topics, including sustainable use of natural resources, reducing environmental impacts, and addressing global challenges such as climate change, biodiversity loss, and pollution." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Sostenibilidad de la Naturaleza.

A molecule of polyethylene has a backbone of carbon atoms, each with a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo unido. La estructura simple, repetida muchas veces, forma una arquitectura similar al teflón que resiste la adherencia al agua y otras moléculas.

"Todas las personas con las que hablamos dijeron que el polietileno podría mantenerte fresco, pero no absorbería el agua ni el sudor porque rechaza el agua y, debido a esto, no funcionaría como tejido", dice Boriskina.

Sin embargo, ella y sus colegas intentaron fabricar fibras tejidas a partir de polietileno. Comenzaron con polietileno en su forma de polvo crudo y utilizaron equipos de fabricación textil estándar para fundir y extruir polietileno en fibras delgadas, de forma similar a como se obtienen hebras de espagueti. Sorprendentemente, descubrieron que este proceso de extrusión oxidaba ligeramente el material, cambiando la energía superficial de la fibra de modo que el polietileno se volvía débilmente hidrófilo y capaz de atraer moléculas de agua a su superficie.

El equipo utilizó una segunda extrusora estándar para agrupar varias fibras de polietileno y crear un hilo que se pudiera tejer. Descubrieron que, dentro de una hebra de hilo, los espacios entre las fibras formaban capilares a través de los cuales las moléculas de agua podían ser absorbidas pasivamente una vez atraídas por la superficie de la fibra.

Para optimizar esta nueva capacidad de absorción, los investigadores modelaron las propiedades de las fibras y descubrieron que las fibras de un cierto diámetro, alineadas en direcciones específicas a lo largo del hilo, mejoraban la capacidad de absorción de las fibras.

Basándose en su modelado, los investigadores fabricaron hilo de polietileno con disposiciones y dimensiones de fibras más optimizadas y luego utilizaron un telar industrial para tejer el hilo en telas. Luego probaron la capacidad de absorción de la tela de polietileno sobre algodón, nailon y poliéster sumergiendo tiras de las telas en agua y midiendo el tiempo que tardaba el líquido en absorberse o subir por cada tira. También colocaron cada tela en una báscula sobre una sola gota de agua y midieron su peso a lo largo del tiempo a medida que el agua atravesaba la tela y se evaporaba.

En cada prueba, las telas de polietileno eliminaron y evaporaron el agua más rápido que otros textiles comunes. Los investigadores observaron que el polietileno perdía parte de su capacidad de atraer agua con la humectación repetida, pero simplemente aplicando algo de fricción o exponiéndolo a la luz ultravioleta, indujeron que el material se volviera hidrófilo nuevamente.

"Puedes refrescar el material frotándolo contra sí mismo y de esa manera mantiene su capacidad de absorción", dice Boriskina. "Puede eliminar la humedad de forma continua y pasiva".

El equipo también encontró una manera de incorporar color a las telas de polietileno, lo que ha sido un desafío, nuevamente debido a la resistencia del material a unirse con otras moléculas, incluidas las tintas y tintes tradicionales. Los investigadores agregaron partículas coloreadas al polietileno en polvo antes de extruir el material en forma de fibra. De esta manera, las partículas quedaron encapsuladas dentro de las fibras, impartiéndoles color con éxito.

"No necesitamos pasar por el proceso tradicional de teñir textiles sumergiéndolos en soluciones de productos químicos agresivos", dice Boriskina. “Podemos colorear fibras de polietileno de forma completamente seca y, al final de su ciclo de vida, podríamos fundirlas, centrifugarlas y recuperar las partículas para usarlas nuevamente”.

El proceso de coloración en seco del equipo contribuye a la huella ecológica relativamente pequeña que tendría el polietileno si se usara para fabricar textiles, dicen los investigadores. El equipo calculó esta huella utilizando una herramienta de evaluación del ciclo de vida comúnmente utilizada por la industria textil. Teniendo en cuenta las propiedades físicas del polietileno y los procesos necesarios para fabricar y colorear los tejidos, los investigadores descubrieron que se necesitaría menos energía para producir textiles de polietileno, en comparación con el poliéster y el algodón.

"El polietileno tiene una temperatura de fusión más baja, por lo que no es necesario calentarlo tanto como otros materiales poliméricos sintéticos para fabricar hilo, por ejemplo", explica Boriskina. “La síntesis de polietileno en bruto también libera menos gases de efecto invernadero y calor residual que la síntesis de materiales textiles más convencionales, como el poliéster o el nailon. El algodón también requiere mucha tierra, fertilizantes y agua para crecer, y se trata con productos químicos agresivos, lo que conlleva una enorme huella ecológica”.

En su fase de uso, el tejido de polietileno también podría tener un menor impacto ambiental, afirma, ya que requeriría menos energía para lavar y secar el material en comparación con el algodón y otros textiles.

"No se ensucia porque no se le pega nada", dice Boriskina. "Se puede lavar polietileno en el ciclo frío durante 10 minutos, en lugar de lavar algodón en el ciclo caliente durante una hora".

"Aunque se trata de un hallazgo sorprendente, creo que el diseño de los experimentos y los datos son bastante convincentes", afirma Shirley Meng, científica de materiales de la Universidad de California en San Diego, que no participó en la investigación. “Según los datos presentados en el artículo, el tejido de PE en particular que aquí se presenta presenta propiedades superiores a las del algodón. El punto principal es que el PE reciclado se puede utilizar para fabricar textiles, un producto con un valor significativo. Esta es la pieza que falta en el reciclaje de PE y la economía circular”.

El equipo está explorando formas de incorporar telas de polietileno en prendas deportivas, vestimentas militares e incluso trajes espaciales de próxima generación que enfrían pasivamente y que son livianas, como escudos de polietileno contra la dañina radiación de rayos X del espacio.

Referencia: “Tejidos de polietileno sostenibles con transporte de humedad diseñado para enfriamiento pasivo” por Matteo Alberghini, Seongdon Hong, L. Marcelo Lozano, Volodymyr Korolovych, Yi Huang, Francesco Signorato, S. Hadi Zandavi, Corey Fucetola, Ihsan Uluturk, Michael Y. Tolstorukov , Gang Chen, Pietro Asinari, Richard M. Osgood III, Matteo Fasano y Svetlana V. Boriskina, 15 de marzo de 2021, Sostenibilidad de la naturaleza.DOI: 10.1038/s41893-021-00688-5

El equipo internacional incluyó investigadores del MIT, la Universidad Politécnica de Turín en Italia, el Centro de Soldados del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., el Instituto del Cáncer Dana Farber, el INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica en Italia, la Agencia de Defensa para la Tecnología y la Calidad en Corea del Sur y Monterrey. Instituto Tecnológico y de Educación Superior de México.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., el

El Instituto Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología del MIT (MISTI), el Centro Deshpande del MIT y el Programa de Nanotecnología del MIT-Tecnológico de Monterrey.