Исследовательская группа под руководством Технологического университета Чалмерса в Швеции представила обычную шелковую нить, покрытую проводящим пластиковым материалом, которая демонстрирует многообещающие свойства для превращения текстиля в генераторы электроэнергии. Научная статья с результатами была опубликована в журнале Advanced Science.
Термоэлектрические ткани преобразуют разницу температур, например, между нашими телами и окружающим воздухом, в электрический потенциал. Эта технология может принести большую пользу в нашей повседневной жизни и в обществе. Подключенные к датчику, ткани могут питать эти устройства без необходимости использования батареек. Эти датчики могут использоваться для отслеживания наших движений или измерения нашего сердцебиения.
Поскольку текстильные изделия должны носиться близко к телу, используемые в них материалы должны соответствовать высоким требованиям безопасности и гибкости. Шелковая нить, которую тестировали исследователи, имеет покрытие из проводящего полимера. Это пластиковый материал с химической структурой, которая делает материал электропроводящим и хорошо подходящим для текстиля.
«Полимеры, которые мы используем, гибкие, легкие и удобные в использовании как в жидкой, так и в твердой форме. Они также нетоксичны», — говорит соавтор нового исследования Мариявиттория Крейгеро.
Метод, используемый для изготовления электропроводящей нити, тот же, что использовался в предыдущих исследованиях в рамках того же проекта. Ранее нить содержала металлы для поддержания ее стабильности при контакте с воздухом. С тех пор были достигнуты успехи в производстве нити только с использованием органических (углеродных) полимеров. В текущем исследовании исследователи разработали новый тип нити с улучшенной электропроводностью и стабильностью.
«Мы нашли недостающую часть головоломки, чтобы сделать оптимальную нить — тип полимера, который был недавно открыт. Он обладает выдающейся стабильностью характеристик при контакте с воздухом, в то же время обладая очень хорошей способностью проводить электричество. Используя полимеры, нам не нужны редкоземельные металлы, которые распространены в электронике», — говорит Мариявиттория Крейгеро.
Чтобы показать, как можно использовать новую нить на практике, исследователи изготовили два термоэлектрических генератора — пуговицу, пришитую нитью, и кусок ткани с вшитыми нитями. Когда они помещали термоэлектрический текстиль между горячей и холодной поверхностью, они могли наблюдать, как увеличивалось напряжение на измерительном приборе. Эффект зависел от разницы температур и количества проводящего материала в текстиле. Например, больший кусок ткани показывал около 6 милливольт при разнице температур 30 градусов Цельсия. В сочетании с преобразователем напряжения его теоретически можно было бы использовать для зарядки портативной электроники через разъем USB. Исследователи также смогли показать, что производительность нити сохраняется в течение как минимум года. Ее также можно стирать в стиральной машине.
«После семи стирок нить сохранила две трети своих проводящих свойств. Это очень хороший результат, хотя его необходимо значительно улучшить, прежде чем он станет коммерчески интересным», — говорит Мариявиттория Крейгеро.
Термоэлектрическую ткань и пуговицу сегодня невозможно эффективно производить вне лабораторных условий. Материал необходимо изготавливать и вшивать вручную, что занимает много времени. Только для того, чтобы вшить его в продемонстрированную ткань, потребовалось четыре дня шитья. Но исследователи видят, что новая нить имеет большой потенциал и что можно будет разработать автоматизированный процесс и масштабировать его.
«Теперь мы показали, что возможно производить проводящие органические материалы, которые могут соответствовать функциям и свойствам, требуемым этим тканям. Это важный шаг вперед. Термоэлектрические ткани открывают фантастические возможности, и это исследование может принести большую пользу обществу», — говорит руководитель исследования профессор Кристиан Мюллер.
Интерес к органической электронике с сопряженными полимерами значительно вырос в последние годы. Проводящие полимеры имеют химическую структуру, которая позволяет им проводить электричество подобно кремнию, и в то же время они обладают физическими свойствами пластиковых материалов, что делает их гибкими. Исследования проводящих полимеров продолжаются во многих областях, таких как солнечные батареи, Интернет вещей (IoT), дополненная реальность (AR), робототехника и различные типы портативной электроники.
