Een nieuwe methode voor het produceren van geleidende katoenen stoffen met op grafeen gebaseerde inkten opent nieuwe mogelijkheden voor flexibele en draagbare elektronica, zonder het gebruik van dure en giftige verwerkingsstappen.

Draagbaar, op textiel gebaseerde elektronica biedt nieuwe mogelijkheden voor flexibele circuits, monitoring van de gezondheidszorg en het milieu, energie conversie, en vele anderen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Cambridge Graphene Centre (CGC) van de Universiteit van Cambridge, in samenwerking met wetenschappers van de Jiangnan University, China, hebben een methode bedacht om op grafeen gebaseerde inkten op katoen te deponeren om een ​​geleidend textiel te produceren. Het werk, gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof , demonstreert een draagbare bewegingssensor op basis van geleidend katoen.

Katoenen stof is een van de meest voorkomende voor gebruik in kleding en textiel, omdat het ademend en comfortabel is om te dragen, evenals duurzaam te wassen. Deze eigenschappen maken het ook een uitstekende keuze voor textielelektronica. Een nieuw proces, ontwikkeld door Dr. Felice Torrisi van het CGC, en zijn medewerkers, is een goedkope, duurzame en milieuvriendelijke methode om geleidende katoenen textiel te maken door ze te impregneren met een op grafeen gebaseerde geleidende inkt.

Gebaseerd op het werk van Dr. Torrisi aan de formulering van bedrukbare grafeeninkten voor flexibele elektronica, het team creëerde inkten van chemisch gemodificeerde grafeenvlokken die meer hechten aan katoenvezels dan ongemodificeerd grafeen. Warmtebehandeling na het afzetten van de inkt op de stof verbetert de geleidbaarheid van het gemodificeerde grafeen. De hechting van het gemodificeerde grafeen aan de katoenvezel is vergelijkbaar met de manier waarop katoen gekleurde kleurstoffen vasthoudt, en zorgt ervoor dat de stof na meerdere wasbeurten geleidend blijft.

Hoewel talloze onderzoekers over de hele wereld draagbare sensoren hebben ontwikkeld, de meeste van de huidige draagbare technologieën zijn gebaseerd op stijve elektronische componenten die zijn gemonteerd op flexibele materialen zoals plastic films of textiel. Deze bieden in veel omstandigheden een beperkte compatibiliteit met de huid, zijn beschadigd bij het wassen en zijn oncomfortabel om te dragen omdat ze niet ademend zijn.

"Andere geleidende inkten zijn gemaakt van edele metalen zoals zilver, waardoor ze erg duur zijn om te produceren en niet duurzaam, overwegende dat grafeen zowel goedkoop is, milieuvriendelijk, en chemisch compatibel met katoen, " legt dr. Torrisi uit.

Co-auteur professor Chaoxia Wang van de Jiangnan University voegt hieraan toe:"Met deze methode kunnen we elektronische systemen rechtstreeks in kleding plaatsen. Het is een ongelooflijke technologie voor slim textiel."

Het werk van Dr Torrisi en Prof Wang, samen met studenten Tian Carey en Jiesheng Ren, opent een aantal commerciële mogelijkheden voor op grafeen gebaseerde inkten, variërend van persoonlijke gezondheidstechnologie, hoogwaardige sportkleding, militaire kleding, draagbare technologie/computers en mode.

"Het omzetten van katoenvezels in functionele elektronische componenten kan leiden tot een geheel nieuwe reeks toepassingen, van gezondheidszorg en welzijn tot het internet der dingen, " zegt dr. Torrisi "Dankzij nanotechnologie, in de toekomst kunnen onze kleding deze op textiel gebaseerde elektronica bevatten en interactief worden."

Grafeen is koolstof in de vorm van membranen van één atoom dik, en is zeer geleidend. Het werk van de groep is gebaseerd op de verspreiding van kleine grafeenvellen, elk minder dan een nanometer dik, in een dispersie op waterbasis. De afzonderlijke grafeenvellen in suspensie zijn chemisch gemodificeerd om goed te hechten aan de katoenvezels tijdens het printen en neerslaan op de stof, wat leidt tot een dun en uniform geleidend netwerk van vele grafeenplaten. Dit netwerk van nanometervlokken is het geheim van de hoge gevoeligheid voor spanning veroorzaakt door beweging. Een eenvoudig met grafeen gecoat slim katoenen textiel dat wordt gebruikt als een draagbare spanningssensor, heeft aangetoond dat het tot 500 bewegingscycli betrouwbaar detecteert, zelfs na meer dan 10 wasbeurten in een normale wasmachine.

Het gebruik van grafeen en andere gerelateerde 2D-materialen (GRM's)-inkten om elektronische componenten en apparaten te creëren die zijn geïntegreerd in stoffen en innovatief textiel, vormt de kern van nieuwe technische vooruitgang in de slimme textielindustrie. Dr. Torrisi en collega's van het CGC zijn ook betrokken bij het Graphene Flagship, een door de EG gefinancierde, pan-Europees project gericht op het brengen van grafeen- en GRM-technologieën naar commerciële toepassingen.

Grafeen en GRM's veranderen het wetenschappelijke en technologische landschap met aantrekkelijke fysieke eigenschappen voor elektronica, fotonica, voelen, katalyse en energieopslag. De atomaire dikte van grafeen en de uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen geven uitstekende voordelen, waardoor de afzetting van extreem dunne, flexibele en geleidende films op oppervlakken en – met deze nieuwe methode – ook op textiel. Dit in combinatie met de milieuvriendelijkheid van grafeen en de sterke hechting aan katoen maken de grafeen-katoen reksensor ideaal voor draagbare toepassingen.

Het onderzoek werd ondersteund door subsidies van de Synergy Grant van de European Research Council, de International Research Fellowship van de National Natural Science Foundation of China en het ministerie van Wetenschap en Technologie van China. De technologie wordt gecommercialiseerd door Cambridge Enterprise, de commercialiseringstak van de universiteit.