Исследователи из Пенн-Стэйт разработали новый подход к изготовлению, который оптимизирует внутреннюю структуру волокон, полученных методом электроспиннинга, для улучшения их характеристик в электронных приложениях. Они опубликовали свои выводы в журнале Journal of Applied Physics.
Новый материал для носимых датчиков и мониторинга здоровья
Новый метод электроспиннинга может открыть путь к более эффективной, гибкой и масштабируемой электронике для носимых датчиков, мониторинга здоровья и получения устойчивой энергии.
Материал основан на поли(винилендифторид-трифторэтилене), или PVDF-TrFE, — лёгком гибком полимере, известном своей способностью генерировать электрический заряд при нажатии или изгибе. Это свойство, называемое пьезоэлектричеством, делает его подходящим для использования в электронике, преобразующей движение в энергию или сигналы.
Свойства материала
«PVDF-TrFE обладает сильными сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами», — объясняет Гуанчунь Руи, постдокторант кафедры электротехники и Института материаловедения и соавтор исследования. «Подобно пьезоэлектричеству, пироэлектричество может генерировать электрические заряды при изменении температуры, что влияет на материал».
Материал термостабилен, лёгок и гибок, что делает его идеальным для использования в носимой электронике и устройствах для сбора энергии.
Процесс электроспиннинга
Электроспиннинг — это метод, использующий электрическую силу для растяжения полимерного раствора в чрезвычайно тонкие волокна. Исследователи предположили, что изменение концентрации и молекулярной массы полимерного раствора может привести к более организованным молекулярным структурам.
«Кристалличность означает, что молекулы более упорядочены», — сказал Руи. «Мы также предположили, что структура может иметь более высокое содержание полярной фазы». «Когда мы говорим о содержании полярной фазы, мы имеем в виду, что положительные и отрицательные заряды в молекулах выровнены в определённых направлениях. Это выравнивание позволяет материалу генерировать электричество от движения».
Применение материала
Первым предполагаемым применением материала были лицевые маски. «При электроспиннинге в виде маски материал удерживает заряд, который может притягивать и улавливать бактерии или вирусы», — сказал Руи. «Но у него есть и более широкое применение в датчиках и устройствах для сбора энергии. Если вы нажмёте на него, он может генерировать электричество».
Профессор электрической инженерии Цзиминг Чжан добавил, что тканеподобная текстура материала может сделать его более удобным, чем традиционные пластиковые датчики. «Если вы носите его как одежду, это гораздо лучше, — сказал он. — Вы даже можете встроить датчики в бинты».
Перспективы
Исследователи видят возможности для дальнейшего улучшения материала путём последующей обработки. «Мы уже имеем идеи о следующих шагах, — сказал Матер. — Одним из них является уплотнение. Мы можем удалить воздух между волокнами, уплотнив листы после электроспиннинга, что может повысить их производительность для определённых приложений».
Для более широкого внедрения команда считает, что ключевую роль будут играть промышленные партнёры. «Нам нужно найти промышленного партнёра, — сказал Матер. — Кто-то в области устройств или энергетики, кто заинтересован в том, чтобы вывести это на новый уровень».