Исследователи разработали графен

Исследователи из Сычуаньского университета, Китайской академии наук и Технологического института Джорджии разработали носимый текстиль на основе графена, который может преобразовывать движения тела в полезную электроэнергию и даже хранить эту энергию. Ткань потенциально может использоваться в широком спектре применений: от медицинского мониторинга до помощи спортсменам и их тренерам в отслеживании их результатов, а также в качестве интеллектуальных дисплеев на одежде.

Точность современных носимых электронных устройств и различных доступных мониторов здоровья остается ограниченной из-за небольшого количества мест на теле или рядом с ним, на которых они могут быть размещены, и ограничивается небольшим выбором приложений. В будущем, если будут разработаны современные ткани, носимые электронные устройства, встроенные в рубашки, брюки, нижнее белье и шапки, смогут отслеживать показатели слабости для оценки риска возрастных заболеваний, контролировать уровень кортизола для отслеживания уровня стресса или даже выявлять патогены в рамках глобальной сети мониторинга пандемий. Чтобы вывести носимую электронику на новый уровень, мониторы придется интегрировать в текстиль таким образом, чтобы они были легкими, незаметными и менее громоздкими.

Одна из проблем существующей носимой электроники связана с ограничениями гибкости и, следовательно, износостойкости компонентов, подающих энергию на устройства. Кроме того, блоки энергоснабжения должны легко интегрироваться с устройствами и, в эпоху повышения экологической осведомленности, быть устойчивыми. Помимо всего этого, существующие технологии хранения энергии имеют очень ограниченную мощность. Батареи и суперконденсаторы могут хранить энергию, но они не могут производить ее самопроизвольно без внешнего источника питания.

«Батареи также не очень удобно носить», — сказал Фейфан Шэн, ведущий автор исследования по бумаге и специалист по наносистемам Пекинского института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук. «Поэтому разработка портативных и самозаряжающихся источников питания имеет решающее значение».

Команда ученых создала то, что они называют «волокном-ТЭНГ», гибкую, вязаную, носимую структуру, которая использует преимущества трибоэлектрического эффекта, при котором определенные материалы становятся электрически заряженными после вступления в фрикционный контакт с другим, другим материалом. Обычным статическим электричеством, например, является контактно-индуцированная электрификация триболэлектрического эффекта.

Волокно-ТЭНГ состоит из трех слоев: слоя полимолочной кислоты (тип полиэстера, обычно используемого в 3D-печати), слоя восстановленного оксида графена (весьма доступный тип графена) и слоя полипиррола (полимер, уже широко используемый в электроника и медицина).

Когда волокно-ТЭНГ подвергается механической деформации, такой как изгиб или растяжение человеком, носящим кусок одежды, связанный из текстиля, трибоэлектрические заряды, генерируемые при контакте между слоями полимолочной кислоты и восстановленного оксида графена, могут собираться слой полипиррола. Этот процесс генерирует электрическую мощность, которую можно использовать в качестве блока выработки электроэнергии.

Ключом к разработке волокна-TENG стал новый процесс, используемый для подготовки волокна из оксида графена для использования в коаксиальном суперконденсаторе в форме волокна (fiber-SC) — хранилище энергии, встроенном в ткань. Коаксиальная структура обеспечивает большую устойчивость при изгибе и скручивании.

Процесс включает добавление активных материалов (тех, которые могут хранить и выделять электрическую энергию) на поверхность волокон восстановленного оксида графена (rGO). Сначала исследователи произвели волокна rGO с помощью иодистоводородной кислоты. Затем они добавляют два активных материала, диоксид марганца (MnO2) и полипиррол (PPy), на поверхность волокон rGO, используя процесс, называемый электроосаждением — метод нанесения материала на поверхность путем подачи электрического тока.

В результате был создан материал отрицательного электрода под названием rGO-PPy-MnO2, который используется в волоконно-СК. Затем был изготовлен материал положительного электрода путем равномерного покрытия многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) поливиниловым спиртом и электролитом фосфорной кислоты на поверхности rGO-PPy-MnO2.