Это открытие – результат сотрудничества Университета Бата, Института исследований полимеров Макса Планка в Германии и Университета Коимбры в Португалии – основано на революционной работе над обработанными на растворе пьезоэлектрическими нейлонами под руководством профессора Камала Асади из Департамента химии. Физика в Бате и его бывший аспирант Салим Анвар.
Пьезоэлектричество описывает явление, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую. Проще говоря, когда вы нажимаете на пьезоэлектрический материал или искажаете его, он генерирует заряд.
Добавьте цепь, и заряд можно будет снять, сохранить, например, в конденсаторе, а затем использовать – например, для питания вашего мобильного телефона.
При ношении пьезоэлектрической одежды, такой как рубашка, даже простое движение, такое как размахивание руками, вызовет достаточные искажения волокон рубашки для выработки электричества.
Профессор Асади сказал: «Спрос на интеллектуальный электронный текстиль растет, но найти дешевые и легкодоступные волокна электронных материалов, которые подходят для современной одежды, является проблемой для текстильной промышленности.
«Пьезоэлектрические материалы являются хорошими кандидатами для сбора энергии от механических вибраций, таких как движение тела, но большинство из этих материалов керамические и содержат свинец, который токсичен и затрудняет их интеграцию в носимую электронику или одежду."
Ученые знали о пьезоэлектрических свойствах нейлона с 1980-х годов, и тот факт, что этот материал не содержит свинца и нетоксичен, сделал его особенно привлекательным. Однако, по словам профессора Асади, шелковистая искусственная ткань, которая часто ассоциируется с дешевыми футболками и женскими чулками, является «очень сложным материалом для обработки».
«Задача состоит в том, чтобы получить нейлоновые волокна, сохраняющие свои пьезоэлектрические свойства», – сказал он.
В своей необработанной полимерной форме нейлон представляет собой белый порошок, который можно смешивать с другими материалами (натуральными или созданными руками человека), а затем формовать в бесчисленное множество продуктов, от одежды и щетинок зубных щеток до упаковки пищевых продуктов и автомобильных запчастей.
Когда нейлон превращается в определенную кристаллическую форму, он становится пьезоэлектрическим. Установленный метод создания кристаллов нейлона заключается в плавлении, быстром охлаждении, а затем растяжении нейлона. Однако в результате этого процесса получаются толстые плиты (известные как «пленки»), которые являются пьезоэлектрическими, но не подходят для одежды.
Нейлон необходимо растянуть до нитки, чтобы из него вплести одежду, или до тонкой пленки, которая будет использоваться в носимой электронике.
Задача производства тонких пьезоэлектрических нейлоновых пленок считалась непреодолимой, и первоначальный энтузиазм по поводу создания пьезоэлектрической нейлоновой одежды превратился в апатию, в результате чего исследования в этой области практически прекратились в 1990-х годах.
По прихоти профессор Асади и г-н Анвар, занимающиеся текстильной промышленностью, использовали совершенно новый подход к производству тонких пленок из пьезоэлектрического нейлона. Они растворили нейлоновый порошок в кислотном растворителе, а не расплавили его.
Однако они обнаружили, что готовая пленка содержала молекулы растворителя, которые были заблокированы внутри материалов, тем самым предотвращая образование пьезоэлектрической фазы.
«Нам нужно было найти способ удалить кислоту, чтобы нейлон можно было использовать», – сказал профессор Асади, который начал это исследование в Институте исследования полимеров Макса Планка в Германии, прежде чем переехать в Бат в сентябре.
Случайно пара обнаружила, что, смешивая раствор кислоты с ацетоном (химическое вещество, наиболее известное как разбавитель для краски или средство для снятия лака), они смогли растворить нейлон, а затем эффективно извлечь кислоту, оставив нейлоновую пленку в пленке. пьезоэлектрическая фаза.
«Ацетон очень прочно связывается с молекулами кислоты, поэтому, когда ацетон испаряется из раствора нейлона, он уносит с собой кислоту. Остается нейлон в его пьезоэлектрической кристаллической фазе. Следующий шаг – превратить нейлон в пряжу, а затем интегрировать ее в ткани."
Разработка пьезоэлектрических волокон – важный шаг на пути к производству электронного текстиля с четкими приложениями в области носимой электроники. Цель состоит в том, чтобы интегрировать электронные элементы, такие как датчики, в ткань и генерировать энергию, пока мы в пути. Скорее всего, электричество, полученное из волокон пьезоэлектрической одежды, будет храниться в батарее, расположенной в кармане.
Затем эта батарея будет подключаться к устройству либо через кабель, либо по беспроводной сети.
«В ближайшие годы мы могли бы использовать наши футболки для питания таких устройств, как мобильный телефон, когда мы гуляем по лесу, или для наблюдения за своим здоровьем», – сказал профессор Асади.