Представьте себе свитер, который питает электронику, позволяющую следить за здоровьем или заряжать мобильный телефон во время бега. Ученые сталкиваются с трудностями такой разработки из-за отсутствия материалов, которые бы стабильно проводили электричество и хорошо подходили для текстиля. Исследовательская группа под руководством Чалмерского технологического университета в Швеции представила обычную шелковую нить, покрытую проводящим пластиком, которая демонстрирует удивительные свойства превращения текстиля в генератор электроэнергии. Работа опубликована в журнале Advanced Science.
Термоэлектрический текстиль преобразует разницу температур, например, между нашим телом и окружающим воздухом, в электрический потенциал. Эта технология может принести огромную пользу в повседневной жизни. Подключенный к датчику, текстиль может питать устройства без использования батарей. Изобретение может использоваться для мониторинга движений или измерения сердцебиения человека.
Поскольку текстиль должен носиться близко к телу, материалы, из которых он изготовлен, должны отвечать высоким требованиям безопасности и гибкости. Шелковая нить, которую тестировали исследователи, имеет покрытие из проводящего полимера. Это пластичный материал с химической структурой, которая делает его электропроводящим и хорошо подходит для текстиля.
«Полимеры, которые мы используем, гибки, легки и просты в применении как в жидком, так и в твердом виде. Они нетоксичны», – говорит Мариявиттория Крайгеро, докторант факультета химии и химического машиностроения Технологического университета Чалмерса и первый автор исследования.
Ранее нить содержала металлы для поддержания стабильности при контакте с воздухом. С тех пор были достигнуты успехи в изготовлении нити с использованием только органических (углеродных) полимеров. В нынешнем исследовании ученые разработали новый тип нити с повышенной электропроводностью и стабильностью.
«Мы нашли недостающий кусочек головоломки для создания оптимальной нити – недавно открытый тип полимера. Он обладает исключительной стабильностью при контакте с воздухом и в то же время очень хорошей способностью проводить электричество. Благодаря использованию полимеров нам не нужны редкоземельные металлы, которые часто используются в электронике», – говорит Мариявиттория Крейгеро.
Чтобы показать, как можно использовать новую нить на практике, исследователи изготовили два термоэлектрических генератора – пуговицу, пришитую нитью, и кусок текстиля с вшитыми в него нитями. Поместив термоэлектрический текстиль между горячей и холодной поверхностью, они наблюдали, как увеличивается напряжение на измерительном приборе. Эффект зависел от разницы температур и количества проводящего материала в текстиле. Например, большой кусок ткани показывал около 6 милливольт при разнице температур в 30 градусов Цельсия. В сочетании с преобразователем напряжения его теоретически можно использовать для зарядки портативной электроники через USB-разъем.
Исследователи также смогли показать, что нить сохраняет свою работоспособность в течение как минимум года. Кроме того, ее можно стирать в машинке. «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.
Термоэлектрическая ткань и пуговица сегодня не могут быть эффективно изготовлены вне лабораторных условий. Материал должен быть сделан и пришит вручную, что отнимает много времени. Чтобы вшить его в ткань, потребовалось 4 дня работы. Но ученые считают, что у новой нити большой потенциал и можно разработать автоматизированный процесс и расширить его масштабы.
«Мы показали, что теперь возможно производить проводящие органические материалы, которые могут отвечать функциям и свойствам, необходимым для текстиля. Это важный шаг вперед. Перед термоэлектрическим текстилем открываются фантастические возможности, и это исследование может принести большую пользу обществу», – говорит Кристиан Мюллер, профессор кафедры химии и химического машиностроения Технологического университета Чалмерса и научный руководитель исследования.
