De nieuwste ontwikkeling in textiel en vezels is een soort zachte hardware die je kunt dragen:een doek waarin elektronische apparaten zijn ingebouwd.

Onderzoekers van het MIT hebben nu opto-elektronische halfgeleiderapparaten met hoge snelheid ingebouwd, inclusief light-emitting diodes (LED's) en diode-fotodetectoren, binnen vezels die vervolgens werden geweven bij Inman Mills, in Zuid-Carolina, in zacht, wasbare stoffen en verwerkt tot communicatiesystemen. Dit markeert het bereiken van een lang gezocht doel om 'slimme' stoffen te maken door halfgeleiderapparaten - het belangrijkste ingrediënt van moderne elektronica - op te nemen, wat tot nu toe het ontbrekende onderdeel was voor het maken van stoffen met geavanceerde functionaliteit.

Deze ontdekking, zeggen de onderzoekers, zou een nieuwe "wet van Moore" voor vezels kunnen ontketenen - met andere woorden, een snelle progressie waarin de mogelijkheden van vezels in de loop van de tijd snel en exponentieel zouden groeien, net zoals de mogelijkheden van microchips de afgelopen decennia zijn gegroeid.

De bevindingen worden deze week beschreven in het tijdschrift Natuur in een paper van voormalig MIT-afgestudeerde student Michael Rein; zijn onderzoeksadviseur Yoel Fink, MIT hoogleraar materiaalkunde en elektrotechniek en CEO van AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America); samen met een team van MIT, AFFO, Inman Mills, EPFL in Lausanne, Zwitserland, en Lincoln-laboratorium.

Optische vezels zijn traditioneel geproduceerd door een cilindrisch object te maken dat een "voorvorm, " wat in wezen een opgeschaald model van de vezel is, dan opwarmen. Verzacht materiaal wordt vervolgens onder spanning naar beneden getrokken of naar beneden getrokken en de resulterende vezel wordt verzameld op een spoel.

De belangrijkste doorbraak voor het produceren van deze nieuwe vezels was om aan de voorvorm lichtemitterende halfgeleiderdiodes toe te voegen ter grootte van een zandkorrel, en een paar koperdraden een fractie van de breedte van een haar. Bij verhitting in een oven tijdens het vezeltrekproces, de polymeervoorvorm gedeeltelijk vloeibaar gemaakt, het vormen van een lange vezel met de diodes opgesteld langs het midden en verbonden door de koperdraden.

In dit geval, de vaste componenten waren twee soorten elektrische diodes gemaakt met behulp van standaard microchiptechnologie:light-emitting diodes (LED's) en fotogevoelige diodes. "Zowel de apparaten als de draden behouden hun afmetingen terwijl alles eromheen krimpt" in het tekenproces, zegt Rein. De resulterende vezels werden vervolgens geweven tot stoffen, die 10 keer werden gewassen om hun bruikbaarheid als mogelijk materiaal voor kleding aan te tonen.

"Deze benadering voegt een nieuw inzicht toe in het proces van het maken van vezels, " zegt Rein, die de hoofdauteur van het artikel was en het concept ontwikkelde dat tot het nieuwe proces leidde. "In plaats van het materiaal allemaal samen te trekken in een vloeibare toestand, we hebben apparaten in deeltjesvorm gemengd, samen met dunne metalen draden."

Een van de voordelen van het opnemen van functie in het vezelmateriaal zelf is dat de resulterende vezel inherent waterdicht is. Om dit aan te tonen, het team plaatste enkele van de fotodetecterende vezels in een aquarium. Een lamp buiten het aquarium zond muziek uit (passend, Händels "Water Music") door het water naar de vezels in de vorm van snelle optische signalen. De vezels in de tank zetten de lichtpulsen - zo snel dat het licht met het blote oog stabiel lijkt - om in elektrische signalen, die vervolgens werden omgezet in muziek. De vezels overleefden weken in het water.

Hoewel het principe eenvoudig klinkt, consequent laten werken, en ervoor te zorgen dat de vezels betrouwbaar en in hoeveelheid kunnen worden vervaardigd, is een lang en moeilijk proces geweest. Medewerkers van het Advanced Functional Fabric of America Institute, onder leiding van Jason Cox en Chia-Chun Chung, de wegen ontwikkeld om de opbrengst te verhogen, doorvoer, en algehele betrouwbaarheid, om deze vezels klaar te maken voor de overgang naar de industrie. Tegelijkertijd, Marty Ellis van Inman Mills ontwikkelde technieken om deze vezels tot stoffen te weven met behulp van een conventioneel weefgetouw op industriële schaal.

"Dit artikel beschrijft een schaalbaar pad voor het opnemen van halfgeleiderapparaten in vezels. We anticiperen op de opkomst van een 'wet van Moore'-analoog in vezels in de komende jaren, " zegt Fink. "Het stelt ons nu al in staat om de fundamentele mogelijkheden van stoffen uit te breiden tot communicatie, verlichting, fysiologische monitoring, en meer. In de komende jaren zullen stoffen diensten met toegevoegde waarde leveren en niet langer alleen worden geselecteerd op esthetiek en comfort."

Hij zegt dat de eerste commerciële producten waarin deze technologie is verwerkt, al volgend jaar op de markt zullen komen - een buitengewoon korte vooruitgang van laboratoriumonderzoek naar commercialisering. Een dergelijke snelle lab-to-market-ontwikkeling was in de eerste plaats een belangrijk onderdeel van de reden voor het opzetten van een samenwerking tussen de academische industrie en de overheid, zoals AFFOA, hij zegt. Deze eerste toepassingen zullen gespecialiseerde producten zijn op het gebied van communicatie en veiligheid. "Het wordt het eerste textielcommunicatiesysteem. We zijn op dit moment bezig met de overgang van de technologie naar binnenlandse fabrikanten en de industrie met een ongekende snelheid en schaal, " hij zegt.

Naast commerciële toepassingen, Fink zegt dat het Amerikaanse ministerie van Defensie - een van de belangrijkste supporters van AFFOA - "de toepassing van deze ideeën op onze vrouwen en mannen in uniform onderzoekt."

Naast communicatie, de vezels kunnen mogelijk belangrijke toepassingen hebben op biomedisch gebied, zeggen de onderzoekers. Bijvoorbeeld, apparaten die dergelijke vezels gebruiken, kunnen worden gebruikt om een ​​polsband te maken die de hartslag of het zuurstofgehalte in het bloed kan meten, of in een verband worden geweven om het genezingsproces continu te volgen.