10.11.2020 - University of Bath

Wie sanfte Körperbewegungen Ihr Mobiltelefon aufladen

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Strom aus Nylon zu erzeugen, was die Hoffnung weckt, dass die Kleidung zu einer wichtigen Energiequelle wird

Forscher haben einen Weg gefunden, Nylonfasern herzustellen, die intelligent genug sind, um aus einfachen Körperbewegungen Strom zu erzeugen, und ebnen damit den Weg für intelligente Kleidung, die unsere Gesundheit durch miniaturisierte Sensoren überwacht und unsere Geräte ohne externe Stromquelle auflädt.

Diese Entdeckung - eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Bath, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Deutschland und der Universität Coimbra in Portugal - basiert auf bahnbrechenden Arbeiten zu lösungsverarbeiteten piezoelektrischen Nylonfasern unter der Leitung von Professor Kamal Asadi von der Fakultät für Physik in Bath und seinem ehemaligen Doktoranden Saleem Anwar.

Piezoelektrizität beschreibt das Phänomen, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Einfach ausgedrückt: Wenn man auf ein piezoelektrisches Material klopft oder es verformt, erzeugt es eine Ladung. Fügt man einen Schaltkreis hinzu, kann die Ladung entfernt, zum Beispiel in einem Kondensator gespeichert und dann verwendet werden - zum Beispiel, um Ihr Mobiltelefon zu betreiben.

Wenn Sie piezoelektrische Kleidung tragen, z.B. ein Hemd, würde schon eine einfache Bewegung wie das Schwingen der Arme genügend Verzerrungen in den Fasern des Hemdes verursachen, um Elektrizität zu erzeugen.

Professor Asadi sagte: "Es gibt eine wachsende Nachfrage nach intelligenten, elektronischen Textilien, aber es ist eine Herausforderung für die Textilindustrie, billige und leicht verfügbare Fasern aus elektronischen Materialien zu finden, die für moderne Kleidungsstücke geeignet sind.

"Piezoelektrische Materialien sind gute Kandidaten für die Energiegewinnung aus mechanischen Vibrationen, wie z.B. Körperbewegungen, aber die meisten dieser Materialien sind keramisch und enthalten Blei, was giftig ist und ihre Integration in tragbare Elektronik oder Kleidung zu einer Herausforderung macht.

Wissenschaftler sind sich der piezoelektrischen Eigenschaften von Nylon seit den 1980er Jahren bewusst, und die Tatsache, dass dieses Material bleifrei und ungiftig ist, hat es besonders attraktiv gemacht. Der seidige, künstlich hergestellte Stoff, der oft mit billigen T-Shirts und Damenstrümpfen in Verbindung gebracht wird, ist jedoch "ein sehr schwierig zu handhabendes Material", so Professor Asadi.

"Die Herausforderung besteht darin, Nylonfasern herzustellen, die ihre piezoelektrischen Eigenschaften behalten", sagte er.

In seiner rohen Polymerform ist Nylon ein weißes Pulver, das mit anderen Materialien (natürlichen oder künstlichen) gemischt und dann zu unzähligen Produkten geformt werden kann, von Kleidung und Zahnbürstenborsten bis hin zu Lebensmittelverpackungen und Autoteilen. Wenn Nylon in eine bestimmte Kristallform reduziert wird, wird es piezoelektrisch. Die bewährte Methode zur Herstellung dieser Nylonkristalle besteht darin, das Nylon zu schmelzen, schnell abzukühlen und dann zu dehnen. Dieser Prozess führt jedoch zu dicken Platten (als "Folien" bezeichnet), die piezoelektrisch sind, sich aber nicht für Kleidung eignen. Das Nylon müsste zu einem Faden gedehnt werden, damit es zu Kleidungsstücken gewebt werden kann, oder zu einem dünnen Film, der in tragbaren elektronischen Geräten verwendet werden kann.

Die Herausforderung, dünne piezoelektrische Nylonfilme herzustellen, galt als unüberwindbar, und der anfängliche Enthusiasmus für die Herstellung piezoelektrischer Nylonkleider wandelte sich in Apathie, was dazu führte, dass die Forschung in diesem Bereich in den 1990er Jahren praktisch zum Erliegen kam.

Aus einer Laune heraus verfolgten Professor Asadi und Herr Anwar - ein Textilingenieur - einen völlig neuen Ansatz zur Herstellung von piezoelektrischen Nylon-Dünnfilmen. Sie lösten das Nylonpulver nicht durch Schmelzen, sondern in einem sauren Lösungsmittel auf. Sie stellten jedoch fest, dass die fertige Folie Lösungsmittelmoleküle enthielt, die in den Materialien eingeschlossen waren und dadurch die Bildung der piezoelektrischen Phase verhinderten.

"Wir mussten einen Weg finden, die Säure zu entfernen, um das Nylon brauchbar zu machen", sagte Professor Asadi, der diese Forschung am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Deutschland begann, bevor er im September nach Bath zog.

Durch Zufall entdeckten die beiden, dass sie durch Mischen der Säurelösung mit dem Aceton (eine Chemikalie, die am besten als Farbverdünner oder Nagellackentferner bekannt ist) in der Lage waren, das Nylon aufzulösen und dann die Säure effizient zu extrahieren, so dass der Nylonfilm in einer piezoelektrischen Phase verbleibt.

"Das Aceton verbindet sich sehr stark mit den Säuremolekülen, so dass es beim Verdampfen des Acetons aus der Nylonlösung die Säure mitnimmt. Was übrig bleibt, ist Nylon in seiner piezoelektrischen kristallinen Phase. Der nächste Schritt besteht darin, Nylon in Garne zu verwandeln und es dann in Gewebe zu integrieren".

Die Entwicklung piezoelektrischer Fasern ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung elektronischer Textilien mit klaren Anwendungen im Bereich der tragbaren Elektronik. Ziel ist es, elektronische Elemente, wie z.B. Sensoren, in einen Stoff zu integrieren und Strom zu erzeugen, während wir unterwegs sind. Höchstwahrscheinlich würde die Elektrizität, die aus den Fasern der piezoelektrischen Kleidung gewonnen wird, in einer Batterie gespeichert werden, die in einer Tasche untergebracht ist. Diese Batterie würde dann entweder über ein Kabel oder drahtlos mit einem Gerät verbunden.

"In den kommenden Jahren könnten wir unsere T-Shirts dazu benutzen, ein Gerät wie unser Mobiltelefon zu betreiben, wenn wir im Wald spazieren gehen, oder um unsere Gesundheit zu überwachen", sagte Professor Asadi.

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