Может ли одежда следить за здоровьем человека в режиме реального времени, ведь сама одежда будет представлять собой датчик с автономным питанием? Новый материал, созданный с помощью электропрядения, который представляет собой процесс, при котором волокна вытягиваются с помощью электричества, приближает эту возможность еще на один шаг.

Команда, возглавляемая исследователями из Университета штата Пенсильвания, разработала новый подход к изготовлению, который оптимизирует внутреннюю структуру электропрядущих волокон для улучшения их характеристик в электронных приложениях. Команда опубликовала свои выводы в Журнал прикладной физики.

Этот новый подход к электроспиннингу может открыть двери к более эффективной, гибкой и масштабируемой электронике для носимых датчиков, мониторинга здоровья и устойчивого сбора энергии, считает Гуаньчун Жуй, приглашенный постдокторант кафедры электротехники и Института исследований материалов и соавтор исследования.

Материал основан на поливинилидена фториде-трифторэтилене, или PVDF-TrFE, легком, гибком полимере, известном своей способностью генерировать электрический заряд при нажатии или сгибании. Это качество, называемое пьезоэлектричеством, делает его сильным кандидатом для использования в электронике, которая преобразует движение в энергию или сигналы.

«PVDF-TrFE обладает сильными сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами», — сказал Руи, пояснив, что, как и пьезоэлектричество, пироэлектричество может генерировать электрические заряды при изменении температуры и, таким образом, влиять на материал. «Он термически стабилен, легок и гибок, что делает его идеальным для таких вещей, как носимая электроника и сборщики энергии».

Электропрядение — это метод, при котором используется электрическая сила для растягивания полимерного раствора в чрезвычайно тонкие волокна. По мере высыхания волокон то, как полимерные цепи упаковываются вместе, определяет их производительность. Исследователи предположили, что изменение концентрации и молекулярной массы полимерного раствора может привести к созданию более организованных молекулярных структур.

«Кристалличность означает, что молекулы более упорядочены», — сказал Руи, отметив, что команда также предположила, что структура может иметь более высокое содержание полярной фазы. «И когда мы говорим о содержании полярной фазы, мы имеем в виду, что положительные и отрицательные заряды в молекулах выровнены в определенных направлениях. Именно это выравнивание позволяет материалу вырабатывать электричество от движения».

Исследователи объяснили, что электроспиннинг играет ключевую роль в обеспечении этого выравнивания.

«Этот процесс растягивает волокна в очень подвижном состоянии, что предрасполагает полимерные цепи к кристаллизации в желаемую форму», — сказал Патрик Мазер, соавтор исследования и профессор химической инженерии и декан колледжа Шрейера Хонорс. «Вы начинаете с жидкости, и она высыхает за долю секунды, пока движется к коллектору. Все вещи упаковываются во время этого короткого полета».

По словам Мэзера, одно удивительное открытие было сделано в результате экспериментов с необычно высокими концентрациями полимера в растворе.

«Это были очень высокие концентрации, примерно около 30%, и намного выше, чем мы обычно используем», — сказал Мазер. «Моя первоначальная мысль заключалась в том, что это не сработает. Но мы использовали низкомолекулярный полимер, и это оказалось необходимым. Цепи все еще были достаточно подвижными, чтобы хорошо упаковываться во время кристаллизации. Это было самым большим сюрпризом. Иногда, как ученые, мы сомневаемся, даже когда теория говорит, что это должно работать. Но Руй смело действовал, и это сработало».

По словам Мэзер, последствия значительны. За счет улучшения внутренней структуры волокон без необходимости высоковольтной обработки или сложной постобработки.ng, команда создала материал, который мог бы быть как недорогим, так и масштабируемым.

Руи отметил, что первое предполагаемое применение материала на самом деле было для масок для лица.

«При электропрядении в маску материал удерживает заряд, который может привлекать и удерживать бактерии или вирусы», — сказал Руи. «Но он также имеет более широкое применение в датчиках и сборщиках энергии. Если вы нажмете на него, он может вырабатывать электричество».

Цимин Чжан, профессор электротехники и заведующий кафедрой Харви Ф. Браша в Инженерном колледже и соавтор исследования, добавил, что текстура материала, похожая на ткань, может сделать его более удобным, чем традиционные датчики на основе пластика — его даже можно напрямую включить в одежду.

«Если вы носите это как одежду, это намного лучше», — сказал он. «Вы даже можете встроить датчики в бинты».

Мэзер отметил, что электропрядение хорошо подходит для производства больших листов, что может быть важно для систем сбора энергии. В настоящее время, отмечает он, большинство датчиков и исполнительных механизмов, материал, который изменяется или деформируется под воздействием внешних раздражителей, представляют собой небольшие пленки.

«Большинство датчиков или исполнительных механизмов представляют собой небольшие пленки», — сказал он. «Но этот процесс можно было бы масштабировать на листы большой площади. Оборудование существует, но нам просто нужно соединить его с процессом производства электродов».

Заглядывая в будущее, исследователи заявили, что видят возможности для дальнейшего улучшения материала за счет постобработки. В настоящее время листы электропрядения примерно на 70% пористые. Применение тепла и давления может уплотнить их и повысить чувствительность и производительность.

«У нас уже есть идеи о следующих шагах», — сказал Мазер. «Один из них — уплотнение. Мы могли бы удалять воздух между волокнами, уплотняя листы после электропрядения, что могло бы повысить их производительность для определенных областей применения».

По словам команды, для более широкого внедрения ключевое значение будут иметь промышленные партнеры.

«Нам нужно найти промышленного партнера», — сказал Мазер. «Кто-то в области устройств или сбора энергии, кто заинтересован в том, чтобы вывести это на новый уровень. По моему опыту, если что-то работает на ранней стадии, это будет работать коммерчески. Если он очень нежный, он не выдержит. Это очень надежная система».

Наряду с Руи, Мэзером и Чжаном, другими авторами исследования являются Вэньи Чжу, аспирант-исследователь в области электротехники в Университете штата Пенсильвания; и Юншэн Чен, Бо Ли и Шихай Чжан, PolyK Technologies.