Nanowetenschappers hebben een draagbaar textiel ontwikkeld dat lichaamsbeweging kan omzetten in bruikbare elektriciteit en die energie zelfs kan opslaan. De stof heeft potentieel een breed scala aan toepassingen, van medische monitoring tot het helpen van atleten en hun coaches bij het volgen van hun prestaties, evenals slimme displays op kleding.
Het onderzoeksteam dat verantwoordelijk is voor het textiel beschrijft hoe het werkt in een paper gepubliceerd in Nano-onderzoeksenergie.
Van slimme horloges tot draadloze hoofdtelefoons, mensen hebben al toegang tot een breed scala aan draagbare elektronische apparaten. Een reeks gezondheids-, sport- en activiteitsmonitors is nu geïntegreerd in smartphones.
Maar de nauwkeurigheid van dergelijke sensoren blijft beperkt vanwege het handjevol locaties op of nabij het lichaam waar ze kunnen worden geplaatst, en beperkt tot een klein aantal toepassingen in vergelijking met de ambities van veel gezondheids- en sportspecialisten voor dergelijke technologie.
Als er in de toekomst geavanceerde stoffen kunnen worden ontwikkeld, kunnen draagbare elektronische apparaten die in overhemden, broeken, ondergoed en hoeden zijn geïntegreerd, indicatoren van kwetsbaarheid volgen om het risico op ouderdomsziekten te beoordelen, cortisolniveaus controleren om stressniveaus te volgen, of zelfs ziekteverwekkers detecteren als onderdeel van een wereldwijd pandemisch monitoringnetwerk.
Om draagbare elektronica naar een hoger niveau te tillen, om gezondheidsmonitors, sportsensoren, navigatiesystemen en activity trackers in kleding te integreren op een manier die licht, onopvallend en minder omslachtig is, zijn nog enkele grote doorbraken in geavanceerd textiel vereist.
Een van de uitdagingen van bestaande draagbare elektronica komt voort uit beperkingen in de flexibiliteit en dus draagbaarheid van de componenten die energie leveren aan de apparaten. Bovendien moeten energietoevoereenheden gemakkelijk te integreren zijn met de apparaten en, in een tijdperk van toegenomen milieubewustzijn, duurzaam zijn. Bovendien hebben bestaande technologieën voor energieopslag een zeer beperkte capaciteit. Batterijen en supercondensatoren kunnen energie opslaan, maar ze kunnen niet spontaan energie produceren zonder een externe stroombron.
“Batterijen zijn ook gewoon niet erg comfortabel om te dragen”, zegt Feifan Sheng, hoofdauteur van de specialist in papier en nanosystemen bij het Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems aan de Chinese Academie van Wetenschappen. “Dus de ontwikkeling van draagbare en zelfopladende voedingen is cruciaal.”
Het team van nanowetenschappers van professor Dong produceerde wat zij een “fiber-TENG” noemen, een flexibele, breibare, draagbare structuur die profiteert van het tribo-elektrische effect, waarbij bepaalde materialen elektrisch worden geladen nadat ze in wrijvingscontact zijn gekomen met een ander, ander materiaal. Gewone statische elektriciteit omvat bijvoorbeeld de door contact geïnduceerde elektrificatie van het tribolelektrisch effect.
De fiber-TENG bestaat uit drie lagen: een polymelkzuurlaag (een type polyester dat veel wordt gebruikt bij 3D-printen), een gereduceerde grafeenoxidelaag (een zeer betaalbaar type grafeen) en een polypyrroollaag (een polymeer dat al veel wordt gebruikt in elektronica en medicijnen).
Wanneer de vezel-TENG wordt onderworpen aan mechanische vervorming, zoals buigen of strekken door de persoon die een kledingstuk draagt dat van het textiel is gebreid, kunnen de tribo-elektrische ladingen die worden gegenereerd door het contact tussen het polymelkzuur en de gereduceerde grafeenoxidelagen worden opgevangen door de vezel-TENG. polypyrrool laag. Dit proces genereert een elektrische output die kan worden gebruikt als een energieopwekkingseenheid.
De sleutel tot de ontwikkeling van de vezel-TENG was een nieuw proces dat werd gebruikt om de grafeenoxidevezel voor te bereiden voor gebruik in een coaxiale vezelvormige supercondensator (fiber-SC) – de energieopslagfaciliteit geïntegreerd in het textiel. Een coaxiale structuur zorgt voor grote stabiliteit bij het buigen en draaien.
Het proces omvat het toevoegen van de actieve materialen (die elektrische energie kunnen opslaan en afgeven) op het oppervlak van gereduceerde grafeenoxide (rGO) vezels. Eerst produceerden de onderzoekers de rGO-vezels via een toepassing van joodwaterstofzuur. Vervolgens voegen ze twee actieve materialen toe, mangaandioxide (MnO2) en polypyrrool (PPy), op het oppervlak van de rGO-vezels met behulp van een proces dat elektrodepositie wordt genoemd – een methode om een materiaal op een oppervlak af te zetten door een elektrische stroom toe te passen.
Hierdoor ontstond een negatief elektrodemateriaal genaamd rGO-PPy-MnO2 die wordt gebruikt in de fiber-SC. Vervolgens werd een positief elektrodemateriaal gemaakt door meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT’s) gelijkmatig te coaten met polyvinylalcohol en fosforzuurelektrolyt op het oppervlak van de rGO-PPy-MnO2.
Bij het testen van hun vezel-TENG-textiel, ontdekten de onderzoekers dat het een hoge energiedichtheid en langdurige stabiliteit heeft tijdens laad- en ontlaadcycli, wat zijn belofte in het leveren van draagbare energieopwekking en -opslag versterkt.
Het team wil nu beginnen met het verkennen van mogelijke toepassingen van hun textiel in toepassingen in de echte wereld. Hiervoor moeten ze het ontwerp- en fabricageproces van het powertextiel optimaliseren en de prestaties onder verschillende omstandigheden onderzoeken, en een schaalbaar productieproces ontwikkelen dat bruikbaar is in commerciële activiteiten buiten het laboratorium.
Meer informatie:
Feifan Sheng et al, Draagbaar hybride textiel voor het oogsten en opslaan van energie als zelfopladende energiesystemen op het lichaam, Nano-onderzoeksenergie (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120079
Aangeboden door Tsinghua University Press