Los ingenieros del MIT se han desarrollado a sí mismos

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

Los ingenieros del MIT han desarrollado telas autorrefrigerantes a partir de polietileno, comúnmente utilizadas en bolsas de plástico. Estiman que la nueva tela puede ser más sostenible que el algodón y otros textiles comunes. Crédito: Imagen cortesía de Svetlana Boriskina

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

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

El polietileno, que es el envoltorio de plástico y las bolsas de supermercado, es delgado y liviano, y podría mantenerlo más fresco que la mayoría de los textiles porque deja pasar el calor en lugar de atraparlo. Pero el polietileno también atraparía el agua y el sudor, ya que no puede retirarlo y evaporar la humedad. Esta propiedad antiabsorción ha sido un impedimento importante 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 absorber la humedad. Tejieron los hilos en telas sedosas y livianas 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. En contra de la mayoría de las suposiciones, estiman que las telas 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 en textiles portátiles, lo que aumenta la sostenibilidad del material.

"Una vez que alguien arroja una bolsa de plástico al océano, eso es un problema. Pero esas bolsas podrían reciclarse fácilmente, y si puedes convertir el polietileno en una zapatilla deportiva o una sudadera con capucha, tendría sentido desde el punto de vista 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"}]">Naturaleza Sostenibilidad.

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 adherirse al agua y otras moléculas.

"Todos con los que hablamos dijeron que el polietileno podría mantenerte fresco, pero no absorbería el agua ni el sudor porque rechaza el agua y, por eso, no funcionaría como textil", 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 finas, de forma similar a como se fabrican hilos de espagueti. Sorprendentemente, descubrieron que este proceso de extrusión oxidaba ligeramente el material, cambiando la energía de la superficie de la fibra para que el polietileno se volviera débilmente hidrofílico y capaz de atraer moléculas de agua a su superficie.

El equipo usó una segunda extrusora estándar para juntar múltiples fibras de polietileno para hacer un hilo tejido. 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 absorberse pasivamente una vez atraídas por la superficie de una fibra.

Para optimizar esta nueva capacidad de absorción, los investigadores modelaron las propiedades de las fibras y descubrieron que las fibras de 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 arreglos y dimensiones de fibra más optimizados, y luego usaron un telar industrial para tejer el hilo en telas. Luego probaron la capacidad de absorción de la tela de polietileno sobre el algodón, el nailon y el 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 balanza 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 absorbieron y evaporaron el agua más rápido que otros textiles comunes. Los investigadores observaron que el polietileno perdió parte de su capacidad de atracción de agua con la humectación repetida, pero simplemente aplicando algo de fricción o exponiéndolo a la luz ultravioleta, indujeron al material a volverse hidrofílico nuevamente.

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

El equipo también encontró una manera de incorporar color en 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 fueron 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 teñir fibras de polietileno completamente secas y, al final de su ciclo de vida, podríamos fundirlas, centrifugarlas y recuperar las partículas para usarlas nuevamente".

El proceso de teñido 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 teñir las telas, 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 hacer hilo, por ejemplo", explica Boriskina. "La síntesis de polietileno crudo 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 necesita mucha tierra, fertilizantes y agua para crecer, y se trata con productos químicos agresivos, que son todos viene con una enorme huella ecológica".

En su fase de uso, la tela de polietileno también podría tener un impacto ambiental menor, dice, 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. "Puedes lavar el polietileno en el ciclo frío durante 10 minutos, en lugar de lavar el algodón en el ciclo caliente durante una hora".

"Aunque es un hallazgo sorprendente, creo que el diseño de los experimentos y los datos son bastante convincentes", dice 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 documento, la tela de PE particular que se informa aquí muestra propiedades superiores a las del algodón. El punto principal es que el PE reciclado se puede usar para fabricar textiles, un producto con un valor significativo. Esta es la pieza faltante de Reciclaje de PE y economía circular".

El equipo está explorando formas de incorporar telas de polietileno en ropa deportiva liviana que se enfríe pasivamente, vestimenta militar e incluso trajes espaciales de próxima generación, como escudos de polietileno contra la dañina radiación de rayos X del espacio.

Referencia: "Telas de polietileno sostenible con transporte de humedad diseñado para refrigeración pasiva" 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, Nature Sustainability.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 de Cáncer Dana Farber, el INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica en Italia, la Agencia de Defensa para Tecnología y Calidad en Corea del Sur y Monterrey. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de México.

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

Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI), MIT Deshpande Center y MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program.