Płynnie zintegrowane układy elektroniczne umożliwiają tworzenie inteligentnych tkanin
„Układy elektroniczne bezpośrednio zintegrowane z tkaniną stanowią najbardziej zaawansowaną postać inteligentnych tekstyliów”. To właśnie to przekonanie skłoniło Monikę Craciun, profesor nanonauki i nanotechnologii na Uniwersytecie w Exeter, do wdrożenia projektu E-TEX (All-organic devices in textiles for wearable electronics) w 2016 r. Według niej, aby odnieść sukces rynkowy, inteligentne tkaniny muszą być miękkie, bezpieczne, stylowe, wygodne i kolorowe, a jednocześnie muszą dyskretnie oferować szereg dodatkowych funkcji. Takie „inteligentne” produkty z łatwością mogą znaleźć ważne miejsce na różnych rynkach, takich jak produkcja odzieży, tkanin domowych, tekstyliów do samochodów, urządzeń medycznych oraz wielu innych produktów. Obecnie jednak rozwój rynku inteligentnych tekstyliów jest utrudniony z powodu stosowania sztywnych urządzeń lub elastycznych urządzeń o słabej wydajności. Jak mówi prof. Craciun, „wszystkie te technologie opierają się na elementach przyklejanych do tkanin, co jest sprzeczne z koncepcją mechanicznie elastycznej i lekkiej technologii wymaganej do zachowania właściwości tkanin, do których jesteśmy przyzwyczajeni i które chcemy nosić”. Przełomowe odkrycia w dziedzinie cienkich materiałów o grubości jednego atomu, a konkretniej grafenu, mogą przynieść rozwiązanie. Elastyczność, wysokie przewodnictwo elektryczne, przejrzystość optyczna, stabilność termiczna i łatwość przetwarzania grafenu na różne struktury sprawiają, że jest on doskonałym kandydatem do produkcji nowej generacji inteligentnych tekstyliów. „Rozpoczęliśmy odkrywanie nieznanego świata inteligentnych tkanin wykonanych ze splecionych grafenowych włókien elektronicznych”, wyjaśnia prof. Craciun. „Zdecydowaliśmy się skupić na dwóch rodzajach włókien elektronicznych: pojemnościowych czujnikach dotykowych i urządzeniach emitujących światło. Nasze rozwiązania pozwalają na integrację wyświetlaczy informacyjnych w odzieży, aby poprzez zmianę koloru ostrzegać dzieci lub osoby starsze przed zagrożeniami lub przypominać o zażyciu leku. Bardziej złożone wyświetlacze w połączeniu z technologią komunikacyjną mogą umożliwiać tworzenie zintegrowanych z tekstyliami systemów GPS, telefonów i monitorów, które pokazują i kontrolują stosowanie implantów uwalniających leki. Technologia ta może również znaleźć zastosowanie w dziedzinie bezpieczeństwa i pozyskiwania energii”. Aby umożliwić kompatybilność i stabilny kontakt między urządzeniami i tekstyliami, te pierwsze muszą się zginać i rozciągać pod naprężeniem. Grafen, dzięki warstwie węglowej o grubości jednego atomu, jest najlepszym materiałem do takich zastosowań, a jego biokompatybilność dodatkowo ułatwia wykorzystanie go w inteligentnych tekstyliach. Grafen połączony z włóknami PP Chociaż projekt E-TEX nie został jeszcze zakończony, jego zespół opracował już włókna elektroniczne z funkcjonalnymi urządzeniami opartymi na grafenie, które są bezpośrednio nakładane na włókna polipropylenowe (PP). Włókna PP są powszechnie wykorzystywane w przemyśle tekstylnym do zastosowań, takich jak opieka zdrowotna, bezpieczeństwo i obrona, a także produkcja odzieży i tkanin codziennego użytku. Wynika to z ich lekkości, niskiej przewodności cieplnej i wysokiej odporności na zaplamienie, ale także z faktu, że wykazują one ekstremalną elastyczność mechaniczną w niskiej temperaturze i są odporne na działanie bakterii. Jednocześnie nadają się do recyklingu i są przyjazne dla środowiska. Aby zachować właściwości włókien PP, zespół opracował metodę zapewniania przewodności izolujących włókien PP poprzez pokrywanie ich warstwą grafenu o grubości jednego atomu, a także nieinwazyjny proces produkcji w celu wprowadzenia we włóknach PP funkcji elektronicznych kompatybilnych z procesami przemysłowymi. „Opracowaliśmy elektroniczne włókna grafenowe z funkcjami dotykowymi i emitującymi światło. Poprzez utworzenie tkanych macierzy z takich włókien mogliśmy zademonstrować piksele o różnych rozmiarach, które można zintegrować w przyszłych wyświetlaczach i urządzeniach do wykonywania pomiarów wrażliwych na zmiany położenia wbudowanych w tekstyliach”, mówi prof. Craciun. To przełomowe odkrycie już wzbudziło zainteresowanie przemysłu. CenTexBel, centrum naukowe i techniczne działające na potrzeby belgijskiej branży tekstylnej, dostrzega „potencjał tej przełomowej technologii o wielu nowych zastosowaniach”. Do tego czasu zespół będzie dążył do zademonstrowania innych rodzajów układów elektronicznych zintegrowanych z tkaninami, w szczególności małych i dyskretnych słuchawek i mikrofonów, wykorzystujących grafenowe układy elektroniczne do generowania fal dźwiękowych.
Słowa kluczowe
E-TEX, inteligentne tekstylia, grafen, tkaniny, płynne, czujniki dotykowe, emitujące światło, włókno PP
