Представьте себе свитер, который питает электронику, чтобы следить за вашим здоровьем или заряжать ваш мобильный телефон во время бега. Эта разработка сталкивается с трудностями из-за отсутствия материалов, которые и стабильно проводят электричество, и хорошо подходят для текстиля. Теперь исследовательская группа во главе с Технологическим университетом Чалмерса в Швеции представляет обычную шелковую нить, покрытую проводящим пластиковым материалом, который демонстрирует многообещающие свойства для превращения текстиля в генераторы электроэнергии.
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 Мариявиттория Крейгеро, докторант кафедры химии и химической инженерии Технологического университета Чалмерса и первый автор недавно опубликованного исследования.
Повышенная стабильность и проводимость
Метод, используемый для изготовления электропроводящей нити, тот же, что использовался в предыдущих исследованиях в рамках того же исследовательского 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, и в то же время имеет очень хорошую способность проводить электричество. Используя полимеры, нам не нужны редкоземельные металлы, которые распространены в электронике», — говорит 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 ткани.
Например, более крупный кусок ткани показал около 6 милливольт при разнице температур в 30 градусов по Цельсию. В сочетании с преобразователем напряжения его теоретически можно использовать для зарядки портативной электроники через разъем USB. Исследователи также смогли показать, что производительность нити сохраняется как минимум год. 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 Крейгеро.
Может соответствовать функциям, которые требуются этим текстилям
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 Кристиан Мюллер, профессор кафедры химии и химической инженерии Технологического университета Чалмерса и научный руководитель исследования.
