科学家通过改变尼龙材料的特性,使得衣服能够为设备充电

   化学小能手        


科学家通过改变尼龙材料的特性,使得衣服能够为设备充电


研究人员找到了一种生产尼龙纤维的方法,这种尼龙纤维足够智能,可以通过简单的身体运动产生电能,从而为智能服装铺平了道路,该服装将通过小型传感器监控我们的健康状况,并且无需任何外部电源即可为我们的设备充电。


这项发现是基于德国马克斯•普朗克聚合物研究所和葡萄牙科英布拉大学的Kamal Asadi教授他的前博士学生Saleem Anwar。


压电现象是指机械能转化为电能的现象。简单地说,当你轻击或扭曲压电材料时,它会产生电荷。加上一个电路,电荷就可以移动,储存在一个电容器里,然后投入使用——比如,给你的手机充电。


当你穿着压电服装(比如衬衫)时,即使是像摆动手臂这样简单的动作也会使衬衫的纤维发生变形,从而产生电能。


Asadi教授说:“对智能电子纺织品的需求在不断增长,但是找到适合于现代服装的廉价且容易获得的电子材料纤维对纺织业来说是一个挑战。”


“压电材料是从机械振动(例如人体运动)中收集能量的良好候选者,但是这些材料大多数是陶瓷,并且含有铅,因为铅具有毒性,因此将其集成到可穿戴电子设备或衣服中具有挑战性。”


自20世纪80年代以来,科学家们就已经意识到尼龙的压电特性,而这种材料无铅、无毒的事实使它特别吸引人。但是,Asadi教授表示,这种丝滑的人造纤维经常与廉价的t恤和女人的长袜联系在一起,是一种非常难处理的材料。


他说:“我们面临的挑战是制备出能够保持压电特性的尼龙纤维。”


尼龙原是一种白色粉末,可以与其他材料(天然或人造)混合,然后模压成无数的产品,从衣服、牙刷刷毛到食品包装和汽车零部件。当尼龙被还原成一种特殊的晶体形式时,它就变成了压电材料。建立这些尼龙晶体的方法是融化,迅速冷却,然后拉伸尼龙。然而,这个过程会产生厚的平板(称为“薄膜”),它是压电的,但不适合穿衣服。尼龙需要被拉伸成一根线织成衣服,或者被拉伸成一层薄膜用于可穿戴电子产品。


人们认为生产压电尼龙薄膜的挑战是无法克服的,最初对制造压电尼龙服装的热情变成了冷漠,导致这一领域的研究实际上在20世纪90年代停止了。


纺织工程专业的Asadi教授和Anwar博士采用了一种全新的方法来生产压电尼龙薄膜。他们将尼龙粉末溶解在酸性溶剂中,而不是通过熔化。然而,他们发现完成的薄膜中含有溶剂分子,这些分子被锁在材料内部,从而阻止了压电相的形成。


Asadi教授说:“我们需要找到一种去除酸的方法,以使尼龙可用。” Asadi教授在德国马克斯·普朗克聚合物研究所(Max Planck Institute for Polymer research)开始了这项研究,之后于9月份搬到巴斯。


偶然的机会,两人发现,通过将酸溶液与丙酮(一种以油漆稀释剂或指甲油去除剂闻名的化学物质)混合,他们能够溶解尼龙,然后有效地提取酸,使尼龙薄膜处于压电相。


“丙酮和酸分子的结合非常强,所以当丙酮从尼龙溶液中蒸发时,酸也随之蒸发。剩下的是尼龙的压电晶体。下一步是把尼龙变成纱线,然后把它整合到织物中。”


研发压电纤维是朝着生产可穿戴电子领域明确应用的电子纺织品迈出的重要一步。其目标是将传感器等电子元件集成到织物中,并在我们移动时产生电力。最有可能的是,从压电衣服的纤维中获取的电能将储存在口袋里的电池中。然后,这个电池将通过电缆或无线连接到设备上。


Asadi教授说:“在未来几年里,我们可以在走在树林里的时候用t恤为手机等设备充电,或者用来监测我们的健康状况。”


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