Исследователи из Пенсильванского государственного университета разработали новый подход к изготовлению гибких волокон с оптимизированной внутренней структурой для электронных приложений. Они опубликовали свои выводы в Journal of Applied Physics.
Новый материал для носимых датчиков и мониторинга здоровья
Группа под руководством учёных из Пенсильванского государственного университета разработала новый метод изготовления, который оптимизирует внутреннюю структуру волокон, полученных методом электропрядения. Это улучшает их характеристики в электронных приложениях.
Гуанчунь Руи, приглашённый докторант кафедры электротехники и Института исследований материалов, объясняет, что новый подход к электропрядению может открыть двери для более эффективной, гибкой и масштабируемой электроники для носимых датчиков, мониторинга здоровья и устойчивого сбора энергии.
Материал на основе поли(винилендифторид-трифторэтилена)
Материал основан на поли(винилендифторид-трифторэтилене) (PVDF-TrFE) — лёгком гибком полимере, известном своей способностью генерировать электрический заряд при нажатии или изгибе. Это свойство, называемое пьезоэлектричеством, делает его перспективным для использования в электронике, преобразующей движение в энергию или сигналы.
Руи отметил, что PVDF-TrFE обладает сильными сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами. «Он термостабилен, лёгок и гибок, что делает его идеальным для таких вещей, как носимая электроника и сборщики энергии», — сказал он.
Электропрядение и кристаллизация
Электропрядение — это метод, который использует электрическую силу для растяжения полимерного раствора в чрезвычайно тонкие волокна. По мере высыхания волокон способ упаковки полимерных цепей определяет их производительность. Исследователи предположили, что изменение концентрации и молекулярной массы полимерного раствора может привести к более организованным молекулярным структурам.
Патрик Матер, соавтор исследования и профессор химического машиностроения, объясняет, что процесс растягивает волокна в высокомобильном состоянии, что предрасполагает полимерные цепи к кристаллизации в нужной форме. «Вы начинаете с жидкости, и она высыхает за долю секунды, пока движется к коллектору. Вся упаковка происходит во время этого короткого полёта», — сказал он.
Одним из удивительных открытий, по словам Матера, стало экспериментирование с необычно высокими концентрациями полимера в растворе. «Это были очень высокие концентрации, примерно около 30%, и намного выше, чем мы обычно используем», — сказал Матер. «Моя первоначальная мысль была, что это не сработает. Но мы использовали полимер с низкой молекулярной массой, и это оказалось существенным. Цепи были достаточно мобильны, чтобы хорошо упаковываться во время кристаллизации. Это было самым большим сюрпризом».
Применение материала
По словам Матера, улучшение внутренней структуры волокон без необходимости высоковольтной обработки или сложной постобработки позволило создать материал, который может быть недорогим и масштабируемым.
Руи отметил, что первое предполагаемое применение материала — это маски для лица. «Когда материал электропрядут в маску, он удерживает заряд, который может притягивать и улавливать бактерии или вирусы», — сказал Руи. «Но у него есть и более широкое применение в датчиках и сборщиках энергии. Если вы нажмёте на него, он может генерировать электричество».
Киминг Чжан, профессор электротехники и заведующий кафедрой Харви Ф. Браша в Инженерном колледже, добавил, что тканеподобная текстура материала может сделать его более удобным, чем традиционные пластиковые датчики. «Если вы будете носить его как одежду, это будет намного лучше», — сказал он. «Вы даже можете встроить датчики в бинты».
Матер отметил, что электропрядение хорошо подходит для производства больших листов, что может быть важно для систем сбора энергии. «Большинство датчиков или исполнительных механизмов — это небольшие плёнки», — сказал он. «Но этот процесс можно масштабировать до широкоформатных листов. Оборудование существует, но нам просто нужно соединить его с процессом изготовления электродов».
Учёные считают, что в будущем материал можно будет дополнительно улучшить с помощью постобработки. Прямо сейчас листы, полученные методом электропрядения, примерно на 70% пористые. Применение тепла и давления может уплотнить их и повысить чувствительность и производительность.
published its findings in the Journal of Applied Physics.”,”This novel electrospinning approach could open the door to more efficient, flexible and scalable electronics for wearable sensors, health monitoring and sustainable energy harvesting, according to Guanchun Rui, a visiting postdoctoral student in the Department of Electrical Engineering and the Materials Research Institute and co-lead author of the study.”,”The material is based on poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), or PVDF-TrFE, a lightweight, flexible polymer known for its ability to generate an electric charge when pressed or bent. That quality, called piezoelectricity, makes it a strong candidate for use in electronics that convert motion into energy or signals.”,”\”PVDF-TrFE has strong ferroelectric, piezoelectric and pyroelectric properties,\” Rui said, explaining that like piezoelectricity, pyroelectricity can generate electric charges when temperature change and thus influence the material. \”It’s thermally stable, lightweight and flexible, which makes it ideal for things like wearable electronics and energy harvesters.\””,”Electrospinning is a technique that uses electric force to stretch a polymer solution into extremely thin fibers. As the fibers dry, the way the polymer chains pack together determines their performance. The researchers hypothesized that altering the concentration and molecular weight of the polymer solution could lead to more organized molecular structures.”,”\”Crystallinity means the molecules are more ordered,\” Rui said, noting that the team also theorized the structure could have higher polar phase content. \”And when we talk about polar phase content, we mean that the positive and negative charges in the molecules are aligned in specific directions. That alignment is what allows the material to generate electricity from motion.\””,”The researchers explained that electrospinning plays a key role in enabling this alignment.”,”\”The process stretches the fibers in a highly mobile state, which predisposes the polymer chains to crystallize into the form we want,\” said Patrick Mather, a co-author of the study and professor of chemical engineering and dean of the Schreyer Honors College. \”You start with a liquid, and it dries over a split second as it travels to the collector. All the packing happens during that brief flight.\””,”One surprising discovery, Mather said, came from experimenting with unusually high concentrations of polymer in the solution.”,”\”These were very high concentrations, roughly around 30%, and much higher than we typically use,\” Mather said. \”My initial thought was that this isn’t going to work. But we were using a low molecular weight polymer, and that turned out to be essential. The chains were still mobile enough to pack well during crystallization. That was the biggest surprise. Sometimes, as scientists, we have doubts even when the theory says it should work. But Rui boldly proceeded, and it worked.\””,”The implications are significant, according to Mather. By improving the internal structure of the fibers without requiring high-voltage treatment or complex post-processing, the team created a material that could be both low-cost and scalable.”,”Rui noted that the material’s first intended application was actually for face masks.”,”\”When electrospun into a mask, the material holds a charge that can attract and trap bacteria or viruses,\” Rui said. \”But it also has broader uses in sensors and energy harvesters. If you press it, it can generate electricity.\””,”Qiming Zhang, professor of electric engineering and Harvey F. Brush Chair in the College of Engineering and co-lead author of the study, added that the material’s cloth-like texture could make it more comfortable than traditional plastic-based sensors—it could even be directly incorporated into clothing.”,”\”If you wear it like clothing, it’s much better,\” he said. \”You could even incorporate sensors into bandages.\””,”Mather pointed out that electrospinning is well suited to producing large sheets, which could be important for energy-harvesting systems. Currently, he notes, most sensors and actuators, material that will change or deform via external stimuli, are small films.”,”\”Most sensors or actuators are small films,\” he said. \”But this process could be scaled to wide-area sheets. The equipment exists, but we’d just need to pair it with an electrode manufacturing process.\””,”Looking ahead, the researchers said they see opportunities to further improve the material through post-processing. Right now, the electrospun sheets are about 70% porous. Applying heat and pressure could densify them and increase sensitivity and output.”,”\”We already have ideas about the next steps,\” Mather said. \”One is densification. We could remove the air between fibers by compacting the sheets after electrospinning, which could boost their performance for certain applications.\””,”For broader adoption, the team said industrial partners will be key.”,”\”We need to find an industrial partner,\” Mather said. \”Someone in the device space or energy harvesting who’s interested in taking this to the next level. In my experience, if something works early, it will work commercially. If it’s very delicate, it won’t hold up. This is a very robust system.\””,”Along with Rui, Mather and Zhang, other authors of the study are Wenyi Zhu, graduate research assistant in electric engineering at Penn State; and Yongsheng Chen, Bo Li and Shihai Zhang, PolyK Technologies.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tPennsylvania State University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник