Исследователи из Китая и США разработали электронную ткань со встроенным трибоэлектрическим генератором, способную регистрировать прикосновения и жесты без необходимости в аккумуляторе. Кроме того, такую ткань можно мыть, не разрушая ее, а также она пропускает воздух, что позволяет использовать ее в умной одежде, рассказывают разработчики в журнале ACS Nano.

Для создания умной одежды с интегрированной электроникой нельзя использовать те же материалы и конструкции, которые применяются в обычных электронных устройствах. Большая часть электронных компонентов в одежде должна быть гибкой и выдерживать постоянные механические нагрузки. Также эта электроника должна не мешать движениям, пропускать воздух, и, желательно, выдерживать стирку. Кроме того, поскольку носить одежду с большим аккумулятором неудобно, исследователи создают альтернативные варианты питания для носимой электроники, например, гибкие солнечные панели или трибоэлектрические генераторы, преобразующие энергию трения в электрическую энергию. Во всех этих областях есть серьезные разработки, но обычно они имеют только часть требуемых свойств и не подходят для реального применения, поэтому ученые продолжают поиски подходящих материалов и конструкций.

Исследователи под руководством Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) из Университета Китайской академии наук и Технологического института Джорджии создали электронную ткань, совмещающую в себе сразу несколько нужных свойств. Она состоит из трех слоев: шелковой и нейлоновых тканей и находящегося между ними слоя электродов из углеродных нанотрубок и полиуретана. Между аминогруппами в полиуретане и карбонильными группами, которые есть в большинстве распространенных тканей, образуются водородные связи, что позволяет удерживать слои вместе.

Схема работы трибоэлектрического генератора.Ran Cao et al. / ACS Nano, 2018

Вместе эти слои образуют трибоэлектрический генератор, работающий в одноэлектродном режиме. Шелк в нем выступает в качестве одного фрикционного слоя, а человеческая рука, прикасающаяся к нему — в качестве второго слоя. После нескольких прикосновений на обоих слоях скапливаются противоположные заряды. Приближении или отдалении руки от генератора электроны перетекают к или от слоя нанотрубок для того, чтобы скомпенсировать разницу потенциалов между рукой и слоем шелка. Таким образом, при движении руки рядом с генератором в нем образуется электрический ток.

Испытания генератора показали, что он выдерживает две тысячи сгибов и погружение в воду в течение нескольких часов практически без изменения электрических свойств. Кроме того, исследователи обнаружили интересную особенность — на графике зависимости создаваемого генератором напряжения от давления можно видеть три линейных участка:

Зависимость напряжения от давления. Ran Cao et al. / ACS Nano, 2018

Разработчики предложили применить генератор еще и для управления устройствами. На нем можно выделить области-кнопки, нажатие на которые можно регистрировать и передавать на компьютер, или разместить электроды таким образом, что жесты пальцев на генераторе будут приводить к разным сигналам, которые также можно связать с различными действиями. В качестве примера исследователи создали браслет с генератором, с помощью которого можно управлять работой бытовой техники:

Недавно другая группа китайских ученых достигла большого успеха в создании трибоэлектрических генераторов с относительно высокой мощностью. Они смогли создать прототип с площадью 1,5 квадратных сантиметра, способный питать от растяжения и других движений 48 светодиодов. Для этого они использовали метод, в результате которого образуется электрод из сильно мятой золотой пленки с большой площадью поверхности.

Автор: Григорий Копиев