Похожие статьи
Наноученые разработали носимый текстиль, который может преобразовывать движения тела в полезное электричество и даже накапливать эту энергию. Эта ткань может найти широкое применение — от медицинского мониторинга до помощи спортсменам и тренерам в отслеживании результатов, а также для создания умных дисплеев на одежде.
Исследовательская группа, ответственная за создание этой ткани, описывает ее работу в статье, опубликованной в журнале Nano Research Energy.
Люди уже имеют в своем распоряжении широкий спектр носимых электронных устройств, от смарт-часов до беспроводных наушников. В настоящее время в смартфоны встроены различные мониторы здоровья, спорта и активности.
Однако точность таких датчиков все еще ограничена из-за малого количества мест на теле или рядом с ним, где они могут быть размещены, и ограниченного диапазона применения по сравнению с амбициями, которые многие специалисты в области здравоохранения и спорта связывают с такими технологиями.
Если в будущем удастся разработать более совершенные ткани, носимые электронные устройства, встроенные в футболки, брюки, нижнее белье и головные уборы, смогут контролировать маркеры хрупкости для оценки риска возрастных заболеваний, контролировать уровень кортизола для контроля уровня стресса или даже обнаруживать патогены в рамках глобальной сети для мониторинга пандемий.
Чтобы вывести носимую электронику на новый уровень, интегрировать мониторы здоровья, спортивные датчики, навигационные системы и трекеры активности в одежду таким образом, чтобы она была легкой, ненавязчивой и менее громоздкой, необходимо совершить ряд серьезных прорывов в современном текстиле.
Одной из проблем существующей носимой электроники является ограниченная гибкость и, следовательно, срок службы компонентов, питающих устройства. Кроме того, источники питания должны быть легко интегрируемыми в устройства и, в эпоху растущей экологической сознательности, устойчивыми. Кроме того, существующие технологии хранения энергии имеют очень ограниченную емкость. Батареи и суперконденсаторы могут хранить энергию, но они не могут производить ее самопроизвольно без внешнего источника энергии.
«Батареи также просто не очень удобны для ношения, — делится Фейфанг Шенг, ведущий автор статьи и эксперт по наносистемам из Пекинского института наноразмерных токов и наносистем Китайской академии наук. — Поэтому разработка носимых и самозаряжающихся источников энергии имеет решающее значение».
Команда наноученых профессора Донга создала так называемый фибротенг — гибкую, плетеную, носимую структуру, использующую трибоэлектрический эффект, при котором определенные материалы становятся электрически заряженными при фрикционном контакте с другим, отличным от них материалом. Например, обычное статическое электричество вызывает трибоэлектрический эффект, вызванный контактом.
Нить TENG состоит из трех слоев: слоя полимолочной кислоты (тип полиэстера, обычно используемый в 3D-печати), слоя восстановленного оксида графена (очень доступный тип графена) и слоя полипиррола (полимер, уже широко используемый в электронике и медицине).
Когда нитевидный материал подвергается механической деформации, например, сгибается или растягивается человеком, носящим одежду из ткани, трибоэлектрические заряды, образующиеся при контакте слоев полимолочной кислоты и восстановленного оксида графена, могут быть захвачены слоем полипиррола. В результате этого процесса вырабатывается электрическая энергия, которая может быть использована в качестве источника выработки электроэнергии.
Ключевым моментом в разработке fiber-TENG стал новый процесс подготовки волокон оксида графена для использования в суперконденсаторе в виде коаксиального волокна (fiber-SC) — накопителе энергии, встроенном в текстиль. Коаксиальная структура обеспечивает большую стабильность при изгибе и скручивании.
Процесс включает в себя добавление активных материалов (тех, которые могут накапливать и отдавать электрическую энергию) на поверхность волокон из восстановленного оксида графена (rGO). Сначала исследователи изготовили волокна rGO с использованием йодистого водорода. Затем они добавили два активных материала, диоксид марганца (MnO2) и полипиррол (PPy), на поверхность волокон rGO с помощью процесса, называемого электроосаждением, который представляет собой метод нанесения материала на поверхность с помощью электрического тока.
В результате был получен отрицательный электродный материал под названием rGO-PPy-MnO2, который используется в волоконно-оптических системах. Положительный электродный материал был изготовлен путем равномерного осаждения многостенных углеродных нанотрубок (MWCNTs) с электролитом из поливинилового спирта и фосфорной кислоты на поверхность rGO-PPy-MnO2.
Проведя испытания текстильного волокна TENG, исследователи обнаружили, что оно обладает высокой плотностью энергии и долговременной стабильностью в течение циклов зарядки и разрядки, что повышает его перспективность в обеспечении производства и хранения энергии, которую можно носить.
Эксклюзивный перевод
О светлом будущем заботятся политики, о светлом прошлом – историки, о светлом настоящем – журналисты.
