Οι νανοεπιστήμονες ανέπτυξαν ένα φορητό ύφασμα που μπορεί να μετατρέψει την κίνηση του σώματος σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια και μάλιστα να αποθηκεύσει αυτή την ενέργεια. Το ύφασμα έχει δυνητικά ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από την ιατρική παρακολούθηση μέχρι την υποβοήθηση των αθλητών και των προπονητών τους στην παρακολούθηση της απόδοσής τους, καθώς και έξυπνες οθόνες στα ρούχα.
Η ερευνητική ομάδα που είναι υπεύθυνη για το ύφασμα περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας του σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nano Research Energy.
Από τα έξυπνα ρολόγια έως τα ασύρματα ακουστικά, οι άνθρωποι έχουν ήδη πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσμα φορητών ηλεκτρονικών συσκευών. Μια σειρά από συσκευές παρακολούθησης της υγείας, του αθλητισμού και της δραστηριότητας είναι πλέον ενσωματωμένες στα smartphones.
Όμως η ακρίβεια αυτών των αισθητήρων παραμένει περιορισμένη λόγω των ελάχιστων θέσεων πάνω ή κοντά στο σώμα που μπορούν να τοποθετηθούν και περιορίζεται σε ένα μικρό παράθυρο εφαρμογών σε σύγκριση με τις φιλοδοξίες που έχουν πολλοί ειδικοί σε θέματα υγείας και αθλητισμού για την εν λόγω τεχνολογία.
Στο μέλλον, αν μπορέσουν να αναπτυχθούν προηγμένα υφάσματα, τότε ίσως οι φορητές ηλεκτρονικές συσκευές που θα ενσωματώνονται σε πουκάμισα, παντελόνια, εσώρουχα και καπέλα να είναι σε θέση να παρακολουθούν δείκτες ευθραυστότητας για την εκτίμηση του κινδύνου εμφάνισης ασθενειών που σχετίζονται με την ηλικία, να παρακολουθούν τα επίπεδα κορτιζόλης για την παρακολούθηση των επιπέδων στρες ή ακόμη και να ανιχνεύουν παθογόνους μικροοργανισμούς ως μέρος ενός παγκόσμιου δικτύου παρακολούθησης πανδημιών.
Για να φτάσουν τα φορητά ηλεκτρονικά σε αυτό το επόμενο επίπεδο, για να ενσωματωθούν οθόνες παρακολούθησης της υγείας, αθλητικοί αισθητήρες, συστήματα πλοήγησης και ανιχνευτές δραστηριότητας στα ρούχα με τρόπο που να είναι ελαφρύς, διακριτικός και λιγότερο δυσκίνητος, απαιτούνται ακόμη κάποιες σημαντικές ανακαλύψεις στα προηγμένα υφάσματα.
Μια από τις προκλήσεις των υφιστάμενων φορητών ηλεκτρονικών ειδών προέρχεται από τους περιορισμούς στην ευελιξία και, συνεπώς, στη φορεσιμότητα των εξαρτημάτων που τροφοδοτούν με ενέργεια τις συσκευές. Επιπλέον, οι μονάδες παροχής ενέργειας πρέπει να ενσωματώνονται εύκολα στις συσκευές και, σε μια εποχή αυξημένης περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης, να είναι βιώσιμες. Συν τοις άλλοις, οι υπάρχουσες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας έχουν πολύ περιορισμένη χωρητικότητα. Οι μπαταρίες και οι υπερπυκνωτές μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια, αλλά δεν μπορούν να παράγουν ενέργεια αυθόρμητα χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας.
“Οι μπαταρίες δεν είναι επίσης πολύ άνετες στη χρήση”, δήλωσε ο Feifan Sheng, επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας και ειδικός στα νανοσυστήματα στο Ινστιτούτο Νάνοενέργειας και Νανοσυστημάτων του Πεκίνου της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών. “Επομένως, η ανάπτυξη φορητών και αυτοφορτιζόμενων τροφοδοτικών είναι ζωτικής σημασίας”.
Η ομάδα των νανοεπιστημόνων του καθηγητή Dong δημιούργησε αυτό που ονομάζουν “fiber-TENG”, μια εύκαμπτη, πλεκτή, φορετή δομή που εκμεταλλεύεται το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο ορισμένα υλικά φορτίζονται ηλεκτρικά αφού έρθουν σε επαφή λόγω τριβής με ένα άλλο, διαφορετικό υλικό. Ο κοινός στατικός ηλεκτρισμός για παράδειγμα περιλαμβάνει την επαγόμενη από την επαφή ηλεκτρισμό του τριβοηλεκτρικού φαινομένου.
Η ίνα-TENG αποτελείται από τρία στρώματα: ένα στρώμα πολυγαλακτικού οξέος (ένας τύπος πολυεστέρα που χρησιμοποιείται συνήθως στην τρισδιάστατη εκτύπωση), ένα στρώμα μειωμένου οξειδίου του γραφενίου (ένας εξαιρετικά προσιτός τύπος γραφενίου) και ένα στρώμα πολυπυρόλης (ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται ήδη ευρέως στα ηλεκτρονικά και την ιατρική).
Όταν η ίνα-TENG υποβάλλεται σε μηχανική παραμόρφωση, όπως κάμψη ή τέντωμα από το άτομο που φοράει ένα ρούχο πλεγμένο από το ύφασμα, τα τριβοηλεκτρικά φορτία που δημιουργούνται από την επαφή μεταξύ των στρωμάτων πολυγαλακτικού οξέος και μειωμένου οξειδίου του γραφενίου μπορούν να συλλεχθούν από το στρώμα πολυπυρρόλης. Αυτή η διαδικασία παράγει μια ηλεκτρική έξοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μονάδα παραγωγής ενέργειας.
Το κλειδί για την ανάπτυξη του fiber-TENG ήταν μια νέα διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε για την προετοιμασία της ίνας οξειδίου του γραφενίου για χρήση σε έναν ομοαξονικό υπερπυκνωτή σε σχήμα ίνας (fiber-SC) – τη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας που ενσωματώνεται στο ύφασμα. Μια ομοαξονική δομή παρέχει μεγάλη σταθερότητα κατά την κάμψη και τη συστροφή.
Η διαδικασία περιλαμβάνει την προσθήκη των ενεργών υλικών (εκείνων που μπορούν να αποθηκεύσουν και να απελευθερώσουν ηλεκτρική ενέργεια) στην επιφάνεια των ινών μειωμένου οξειδίου του γραφενίου (rGO). Αρχικά, οι ερευνητές παρήγαγαν τις ίνες rGO μέσω εφαρμογής υδροϊώδους οξέος. Στη συνέχεια, προσθέτουν δύο ενεργά υλικά, διοξείδιο του μαγγανίου (MnO2) και πολυπυρρόλιο (PPy), στην επιφάνεια των ινών rGO χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτροαπόθεση – μια μέθοδος εναπόθεσης ενός υλικού σε μια επιφάνεια με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος.
Με τον τρόπο αυτό δημιουργήθηκε ένα αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου που ονομάζεται rGO-PPy-MnO2 και χρησιμοποιείται στο fiber-SC. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε ένα θετικό υλικό ηλεκτροδίου με ομοιόμορφη επικάλυψη νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs) με πολυβινυλική αλκοόλη και ηλεκτρολύτη φωσφορικού οξέος στην επιφάνεια του rGO-PPy-MnO2.
Δοκιμάζοντας το υφασμάτινο υλικό ινών-TENG, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι απολαμβάνει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και μακρά σταθερότητα κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης, ενισχύοντας την υπόσχεσή του για την παροχή φορητής παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας.
Η ομάδα θέλει τώρα να αρχίσει να διερευνά τις πιθανές χρήσεις του υφάσματος τους σε πραγματικές εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό, θα πρέπει να βελτιστοποιήσουν τον σχεδιασμό και τη διαδικασία κατασκευής του ενεργειακού υφάσματος και να διερευνήσουν την απόδοσή του υπό διαφορετικές συνθήκες, καθώς και να αναπτύξουν μια κλιμακούμενη διαδικασία κατασκευής που να μπορεί να λειτουργήσει σε εμπορικές επιχειρήσεις πέρα από το εργαστήριο.