Van de waslijn, op het net: MXene-nanomaterialen maken draadloos opladen in textiel mogelijk

De volgende stap voor volledig geïntegreerde, op textiel gebaseerde elektronica om hun weg van het laboratorium naar de kledingkast te vinden, is uitzoeken hoe je de kledingaccessoires van stroom kunt voorzien zonder ouderwets met een stevige batterij rond te sjouwen. Onderzoekers van Drexel University, de University of Pennsylvania en Accenture Labs in Californië hebben de uitdaging op een nieuwe manier benaderd door een volledig textielenergienetwerk te bouwen dat draadloos kan worden opgeladen. In hun recente onderzoek meldde het team dat het textielapparaten van stroom kan voorzien, waaronder een verwarmingselement en omgevingssensoren die gegevens in realtime verzenden.

Gepubliceerd in het tijdschrift Materialen vandaagbeschrijft het artikel het proces en de haalbaarheid van het bouwen van het raster door op niet-geweven katoenen textiel te printen met een inkt bestaande uit MXene, een soort nanomateriaal gemaakt bij Drexeldat tegelijkertijd zeer geleidend en duurzaam genoeg is om bestand te zijn tegen het vouwen, uitrekken en wassen dat kleding te verduren krijgt.

Het proof-of-concept vertegenwoordigt een belangrijke ontwikkeling op het gebied van draagbare technologie, die momenteel gecompliceerde bedrading vereist en wordt beperkt door het gebruik van stijve, omvangrijke batterijen die niet volledig in kleding zijn geïntegreerd.

“Deze omvangrijke energievoorraden vereisen doorgaans rigide componenten die om twee belangrijke redenen niet ideaal zijn”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., vooraanstaande universiteit en Bach-professor aan het Drexel’s College of Engineering, die leider was van het onderzoek.

“Ten eerste zijn ze ongemakkelijk en opdringerig voor de drager en hebben ze de neiging om na verloop van tijd te falen op het grensvlak tussen de harde elektronica en het zachte textiel – een probleem dat vooral moeilijk aan te pakken is voor e-textiel is de kwestie van de wasbaarheid.”

Het door het team voorgestelde textielraster werd daarentegen gedrukt op een lichtgewicht, flexibel katoenen substraat ter grootte van een klein stukje. Het bevat een gedrukte resonatorspoel, ook wel MX-spoel genoemd, die elektromagnetische golven in energie kan omzetten, waardoor draadloos opladen mogelijk wordt; en een serie van drie textielsupercondensatoren – eerder ontwikkeld door Drexel en Accenture Labs – die energie kunnen opslaan en gebruiken om elektronische apparaten van stroom te voorzien.

Het elektriciteitsnet kon draadloos opladen met 3,6 volt – genoeg om niet alleen draagbare sensoren van stroom te voorzien, maar ook digitale circuits in computers of kleine apparaten, zoals polshorloges en rekenmachines. Slechts 15 minuten opladen leverde voldoende energie op om kleine apparaten meer dan 90 minuten van stroom te voorzien. En de prestaties namen nauwelijks af na een uitgebreide reeks buig- en wascycli om de slijtage van kleding te simuleren.

Naast het testen van het elektriciteitsnet met kleine elektronische apparaten, hebben medewerkers van de Universiteit van Pennsylvania, onder leiding van Flavia Vitale, Ph.D., universitair hoofddocent neurologie, aangetoond dat het ook draadloze op MXene gebaseerde biosensorelektroden kan aandrijven, genaamd MXtrodes. die de spierbewegingen kan volgen.

“Naast toepassingen op kledingstukken die energieopslag vereisen, hebben we ook gebruiksscenario’s gedemonstreerd waarvoor mogelijk geen energieopslag nodig is”, zegt Alex Inman, Ph.D., die hielp bij het uitvoeren van dit onderzoek tijdens zijn stage bij Accenture Labs, terwijl hij een doctoraalstudent was en onderzoeksassistent bij Gogotsi in het AJ Drexel Nanomaterials Institute.

“Situaties met relatief sedentaire gebruikers – een baby in een wieg of een patiënt in een ziekenhuisbed – zouden directe stroomtoepassingen mogelijk maken, zoals het continu draadloos monitoren van bewegingen en vitale functies.”

In deze geest gebruikten ze het systeem ook om een ​​kant-en-klare reeks temperatuur- en vochtigheidssensoren en een microcontroller van stroom te voorzien om de gegevens die ze in realtime hadden verzameld, uit te zenden. Een draadloze oplaadtijd van 30 minuten zorgde voor real-time uitzendingen van de sensoren (een relatief energie-intensieve functie) gedurende 13 minuten.

En ten slotte gebruikte het team de MX-spoel om een ​​gedrukt verwarmingselement op textiel aan te drijven, een zogenaamde Joule-verwarmer, die als proof-of-concept een temperatuurwinst van ongeveer 4 graden Celsius opleverde.

“Veel verschillende technologieën kunnen worden aangedreven door draadloos opladen. Het belangrijkste om te overwegen bij het kiezen van een applicatie is dat deze logisch moet zijn voor een draagbare applicatie”, aldus Gogotsi. “We hebben de neiging om biologische sensoren als een zeer aantrekkelijke toepassing te beschouwen, omdat dit de toekomst van de gezondheidszorg is. Ze kunnen rechtstreeks in textiel worden geïntegreerd, waardoor de kwaliteit en betrouwbaarheid van de gegevens toenemen en het gebruikerscomfort toeneemt.

“Maar uit ons onderzoek blijkt dat een op textiel gebaseerd elektriciteitsnet een willekeurig aantal randapparaten van stroom kan voorzien: op glasvezel gebaseerde LED’s voor mode- of werkveiligheid, draagbare haptiek voor AR/VR-toepassingen zoals beroepstraining en entertainment, en het besturen van externe elektronica wanneer een stand -alleen controleur kan onwenselijk zijn.”

De volgende stap bij de ontwikkeling van deze technologie is laten zien hoe het systeem kan worden opgeschaald zonder de prestaties ervan te verminderen of de mogelijkheid om in textiel te worden geïntegreerd te beperken. Gogotsi en Inman verwachten dat MXene-materialen de sleutel zullen zijn tot het vertalen van een verscheidenheid aan technologie in textielvorm. Niet alleen kan MXene-inkt worden toegepast op de meest voorkomende textielsubstraten, maar een aantal op MXene gebaseerde apparaten zijn ook gedemonstreerd als proof-of-concept.

“We produceren genoeg stroom uit het draadloos opladen om veel verschillende toepassingen van stroom te voorzien, dus de volgende stappen komen neer op integratie”, zei Inman. “Een belangrijke manier waarop MXene hierbij kan helpen, is dat het voor veel van deze functionaliteiten kan worden gebruikt – bijvoorbeeld geleidende sporen, antennes en sensoren – en dat je je geen zorgen hoeft te maken over materiaalmismatches die elektrische of mechanische storingen kunnen veroorzaken.”