Пьезоэлектричество описывает явление, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую. Проще говоря, когда вы включаете или искажаете пьезоэлектрический материал, он генерирует заряд. Добавьте цепь, и заряд может быть снят, сохранен, например, в конденсаторе, а затем использован - например, для питания вашего мобильного телефона. При ношении пьезоэлектрической одежды, например, рубашки, даже простое движение, например, качание рук, приведет к достаточным искажениям в волокнах рубашки для выработки электричества.
Профессор Асади сказал: "Растет спрос на "умный" электронный текстиль, но найти дешевые и легкодоступные волокна электронных материалов, подходящие для современной одежды, является сложной задачей для текстильной промышленности".
Пьезоэлектрические материалы
"Пьезоэлектрические материалы являются хорошими кандидатами на получение энергии от механических вибраций, таких как движение тела, но большинство из этих материалов керамические и содержат свинец, который является токсичным и делает их интеграцию в износостойкую электронику или одежду сложной задачей".
Ученые знают о пьезоэлектрических свойствах нейлона с 1980-х годов, и тот факт, что этот материал не содержит свинца и нетоксичен, делает его особенно привлекательным. Однако, по словам профессора Асади, шелковистая ткань, созданная человеком, часто ассоциируется с дешевыми футболками и женскими чулками - "очень трудный материал". "Сложность заключается в подготовке нейлоновых волокон, которые сохраняют свои пьезоэлектрические свойства", - сказал он.
В своей необработанной полимерной форме нейлон представляет собой белый порошок, который можно смешивать с другими материалами (натуральными или созданными человеком), а затем формовать в мириады изделий, от одежды и щетины зубной щетки до упаковки для продуктов питания и деталей автомобилей. Именно тогда, когда нейлон сводится к определенной кристаллической форме, он становится пьезоэлектрическим. Установленный метод для создания этих кристаллов нейлона состоит в том, чтобы расплавить, быстро охладить и затем растянуть нейлон. Однако в результате этого процесса образуются толстые пластины (известные как "пленки"), которые являются пьезоэлектрическими, но не подходят для одежды. Нейлон необходимо растянуть до нити, которая будет вплетена в одежду, или до тонкой пленки, которая будет использоваться в износостойкой электронике.
Проблема производства тонких пьезоэлектрических нейлоновых пленок считалось непреодолимым, и начальный энтузиазм для создания пьезоэлектрических нейлоновых одежды превратился в апатию, в результате чего исследования в этой области практически шлифовальные до остановки в 1990-х годах. По прихоти профессор Асади и г-н Анвар - текстильный инженер - применили совершенно новый подход к производству тонких пленок из пьезоэлектрического нейлона. Они растворили нейлоновый порошок в кислотном растворителе вместо того, чтобы плавить его. Однако они обнаружили, что готовая пленка содержала молекулы растворителя, которые были заперты внутри материалов, тем самым предотвращая образование пьезоэлектрической фазы.
"Нам нужно было найти способ удаления кислоты, чтобы сделать нейлон пригодным для использования", - сказал профессор Асади, который начал эти исследования в Институте полимерных исследований имени Макса Планка в Германии перед тем, как переехать в сентябре в Бат. Случайно, пара обнаружила, что, смешивая раствор кислоты с ацетоном (химикат, наиболее известный как растворитель краски или растворитель лака для ногтей), они смогли растворить нейлон, а затем эффективно извлечь кислоту, оставив нейлоновую пленку в пьезоэлектрической фазе.
"Ацетон очень сильно связан с молекулами кислоты, поэтому, когда ацетон испаряется из нейлонового раствора, он забирает с собой кислоту". Остается нейлон в пьезоэлектрической кристаллической фазе. Следующий шаг - превратить нейлон в нить, а затем интегрировать его в ткани". Разработка пьезоэлектрических волокон является важным шагом на пути к созданию электронного текстиля с ясными возможностями применения в области электроники, пригодной для ношения. Цель состоит в том, чтобы интегрировать электронные элементы, такие как датчики, в ткань и вырабатывать энергию, пока мы находимся в движении. Скорее всего, электричество, собранное из волокон пьезоэлектрической одежды, будет храниться в батарее, расположенной в кармане. Затем эта батарея будет подключаться к устройству либо через кабель, либо по беспроводной связи.
"В ближайшие годы мы могли бы использовать наши футболки для питания таких устройств, как мобильный телефон, когда мы гуляем по лесу, или для контроля за своим здоровьем", - сказал профессор Асади.