Крылья бабочки вдохновили учёных на создание невидимых и несмываемых бирок

Комбинация двух материалов изгибает и преломляет свет для создания оптических эффектов, которые могут выглядеть цветными.

Менее 15% из 92 миллионов тонн одежды и других текстильных изделий, выбрасываемых ежегодно, перерабатываются, отчасти потому, что их очень сложно сортировать. Вплетённые этикетки, изготовленные из недорогих фотонных волокон, разработанные командой под руководством Мичиганского университета, могут изменить устаревшие технологии.

«Это похоже на штрих-код, вплетенный непосредственно в ткань одежды», — сказал Макс Штейн, профессор материаловедения и инженерии Университета Массачусетса, — «Мы можем настроить фотонные свойства волокон, чтобы сделать их видимыми невооруженным глазом, читаемыми только в ближнем инфракрасном свете или в любой комбинации».

Обычные бирки часто не доживают до конца жизни одежды — их можно срезать или постирать до неразборчивости, а информация без бирки может стереться. Переработка могла бы быть более эффективной, если бы в ткань была вплетена бирка, невидимая до тех пор, пока её не нужно будет прочитать.

Переработчики уже используют системы сортировки в ближнем инфракрасном диапазоне, которые идентифицируют различные материалы в соответствии с их естественными оптическими сигнатурами — например, ПЭТ-пластик в бутылке для воды выглядит в ближнем инфракрасном свете иначе, чем полиэтилен высокой плотности в молочной бутылке. Разные ткани также имеют разные оптические характеристики, но Брайан Иззи, научный сотрудник лаборатории Штейна, объяснил, что эти характеристики имеют ограниченное применение для переработчиков из-за преобладания смешанных тканей.

«Для работы действительно цикличной системы переработки важно знать точный состав ткани — переработчик хлопка не хочет платить за одежду, которая на 70% состоит из полиэстера», — сказал он, — «Естественные оптические сигнатуры не могут обеспечить такой уровень точности, но наши фотонные волокна могут».

Команда разработала технологию, объединив фотонный опыт, обычно применяемый к таким продуктам как дисплеи, солнечные элементы и оптические фильтры, с передовыми текстильными возможностями в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. Лаборатория работала над внедрением фотонных свойств в процесс, аналогичный крупномасштабному производству.

Они добились этого, начав с преформы — пластикового сырья, состоящего из десятков чередующихся слоёв. В данном случае они использовали акрил и поликарбонат. В то время как каждый отдельный слой прозрачен, комбинация двух материалов изгибает и преломляет свет, создавая оптические эффекты, которые могут выглядеть как цвет. Это те же основные явления, которые придают крыльям бабочки мерцание.

Преформу нагревают, а затем механически вытягивают в тонкую нить волокна. Хотя метод производственного процесса отличается от метода экструзии, используемого для изготовления обычных синтетических волокон, таких как полиэстер, он может производить такие же нити длиной в несколько километров, которые затем могут быть обработаны на том же оборудовании, которое уже используется производителями текстиля.

Подбирая смесь материалов и скорость вытягивания преформы, исследователи настроили волокно для создания желаемых оптических свойств и обеспечения возможности вторичной переработки. Хотя фотонное волокно дороже традиционного текстиля, по оценкам исследователей, оно приведет лишь к небольшому увеличению стоимости готовой продукции.

«Фотонные волокна должны составлять лишь небольшой процент — всего 1% готовой одежды», — сказал Иецци, — «Это может увеличить стоимость готового продукта примерно на 25 центов, что сопоставимо со стоимостью привычных нам ярлыков».

Штейн говорит, что фотонная маркировка не только упрощает переработку, но и может использоваться для информирования потребителей о том, где и как производятся товары, и даже для проверки подлинности фирменных продуктов.

«По мере того, как электронные устройства, такие как сотовые телефоны, становятся всё более сложными, они потенциально могут иметь возможность считывать такого рода фотонные этикетки, поэтому я могу представить себе будущее, в котором вплетенные этикетки станут полезной функцией как для потребителей, так и для переработчиков».

Команда подала заявку на патентную защиту и оценивает пути дальнейшего продвижения технологии на рынок.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом США и заместителем министра обороны по исследованиям и разработкам.