Nylon lijkt misschien het voor de hand liggende materiaal voor elektronisch textiel - er is niet alleen een gevestigde textielindustrie op basis van nylon, maar het heeft handig een kristallijne fase die piëzo-elektrisch is - tik erop en je krijgt een accumulatie van lading die perfect is voor drukwaarneming en het oogsten van energie uit omgevingsbewegingen.

Helaas, het vormen van nylon tot vezels terwijl het de kristalstructuur aanneemt die een piëzo-elektrische respons heeft, is niet eenvoudig. "Dit is al bijna een halve eeuw een uitdaging, " legt Kamal Asadi uit, een onderzoeker aan het Max-Planck Institute for Polymer Research, Duitsland, en professor aan de Universiteit van Bath, VK In een recente Geavanceerde functionele materialen verslag doen van, hij en zijn medewerkers beschrijven hoe ze dit nu eindelijk hebben overwonnen.

De piëzo-elektrische fase van nylon is niet alleen aantrekkelijk voor elektronisch textiel, maar voor alle soorten elektronische apparaten, vooral waar er vraag is naar iets dat minder bros is dan de conventionele piëzo-elektrische keramiek. Echter, al decenia, de enige manier om nylon te produceren met de kristallijne fase die een sterke piëzo-elektrische respons heeft, is door het te smelten, koel het snel af en rek het dan uit zodat het in een smectische δ'-fase komt. Dit levert platen op die doorgaans tientallen micrometers dik zijn - veel te dik voor toepassingen in elektronische apparaten of elektronisch textiel.

De aanwezigheid van piëzo-elektrisch gedrag komt voort uit de amidegroepen op de herhalende eenheden in een nylon polymeerketen, en hun interactie met die in de aangrenzende keten. Wanneer deze amiden vrij zijn om hun dipolen uit te lijnen met een elektrisch veld, het is mogelijk om het piëzo-elektrische effect in het materiaal te benutten, zoals voor het eerst waargenomen in de jaren tachtig. Echter, wat er in de meeste kristallijne fasen van nylon gebeurt, is dat deze amiden sterke waterstofbruggen vormen met amiden op andere polymeerketens die ze op hun plaats houden, voorkomen dat ze zich heroriënteren en uitlijnen. De uitdaging was dus om een ​​manier te vinden om de fase te produceren die de amiden vrij liet om te heroriënteren, maar niet zo beperkt was in de morfologieën die het kan produceren als de smelt, koele en rekbare aanpak.

Schoon succes

Terwijl de meeste onderzoeksgroepen over de hele wereld de pogingen om piëzo-elektrische films of vezels te produceren tegen de jaren negentig hadden opgegeven, de aankomst in Asadi's groep van een "briljante student die een textielingenieur was" - Saleem Anwar - bracht Asadi ertoe het probleem te bekijken. De onderzoekers begonnen met het overwegen van de essentiële factoren voor het produceren van nylon in een fase met sterke piëzo-elektrische eigenschappen. de smelt, cool en stretch-benadering hangt af van het snel afkoelen van het nylon, dus Asadi en Anwar en hun medewerkers keken hoe ze hetzelfde effect konden krijgen door het nylon op te lossen in een oplosmiddel en dat oplosmiddel vervolgens snel te extraheren. De oplosmiddelen hebben echter de neiging om het nylon op te lossen door de waterstofbruggen tussen de amiden aan te vallen, en in plaats daarvan waterstofbruggen vormend, zodat het dan bijna onmogelijk is om het oplosmiddel kwijt te raken.

De doorbraak kwam op een dag toen Anwar Asadi vertelde over een vreemde observatie tijdens het opruimen met aceton na een experiment waarin hij had geprobeerd nylonfilms te maken met trifluorazijnzuur (TFA) als oplosmiddel. De gemorste nylonoplossing was transparant geworden. Vermoeden dat de plotselinge transparantie erop moet wijzen dat er een reactie plaatsvond, het team maakte een oplossing van TFA en aceton en probeerde er nylon van te verwerken. Zowaar, de volgende week, "Saleem kwam terug met zijn 'eureka'-moment - 'Ik heb het!'", zegt Asadi.

Waar Anwar op was gestuit, was de waterstofbinding tussen aceton en TFA, wat een van de sterkste waterstofbruggen is die de wetenschap kent. Dus toen de onderzoekers de oplossing in hoog vacuüm op een substraat legden om het oplosmiddel te verdampen, zoals Asadi het zegt, "Het is letterlijk alsof de aceton de hand van de TFA-moleculen neemt en ze uit het nylon draagt, waardoor de piëzo-elektrische kristallijne fase."

Vezel sweet spot

De onderzoekers waren de eersten die dunne films van nylon produceerden met een sterke piëzo-elektrische respons. Maar dat loste het probleem van het produceren van vezels niet helemaal op. omdat de productiemethoden nog steeds onverenigbaar waren met een hoog vacuüm. Dus keken ze naar andere manieren om de extractiesnelheid van oplosmiddelen te beheersen. Ze richtten zich op het produceren van vezels door middel van elektrospinnen, waarin een elektrisch veld een polymeeroplossing in vezels trekt met diameters die zo klein kunnen zijn als tientallen nanometers breed, waarbij de hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding van de vezel een hoge oplosmiddelextractiesnelheid oplevert. De truc was dan om dit in evenwicht te brengen met de viscositeit van de polymeeroplossing en de elektrospincondities, zodat andere factoren de vezelvorming in de gewaardeerde δ'-fase niet in de weg stonden.

De onderzoekers vonden een goede plek tussen de concurrerende factoren voor vezels van ongeveer 200 nm breed. Metingen van de potentiaal gegenereerd onder een periodieke mechanische impact bij een frequentie van 8 Hz toonden aan dat de 200 nm δ'-fase vezels 6 V genereerden, terwijl de smallere vezels minder dan 0,6 V produceerden omdat factoren die verband hielden met de smalheid bij deze breedten ertoe leidden dat de vezels zich vormden in een fase zonder piëzo-elektrische respons.

In feite, in bredere vezels rond 1000 nm, het nylon gevormd in een γ kristallijne fase, die slechts een zwakke piëzo-elektrische respons heeft, omdat de vezels te dik waren voor een effectieve snelle oplosmiddelextractie. De slechtere piëzo-elektrische respons van de γ-fase in de dikkere vezels werd in sommige opzichten gecompenseerd door het grotere volume van de vezels, wat leidde tot het genereren van potentialen van 4V. Echter, de 200 nm δ'-fasevezels hadden nog steeds het voordeel van een meer gevoelige respons.

De gevoeligheid van de draden voor tikken suggereert een opwindende reeks mogelijke toepassingen, van biometrische monitoring zoals polsmetingen, naar een apparaat waarmee u uw mobiele telefoon kunt opladen door gewoon in uw nylon kleding rond te lopen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk