Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Delaware ontwikkelt slim textiel van de volgende generatie door flexibele composietcoatings van koolstof nanobuisjes te maken op een breed scala aan vezels, inclusief katoen, nylon en wol. Hun ontdekking wordt gerapporteerd in het tijdschrift ACS-sensoren waar ze het vermogen demonstreren om een ​​uitzonderlijk breed drukbereik te meten - van de lichte aanraking van een vingertop tot overreden worden door een vorkheftruck.

Stof gecoat met deze sensortechnologie zou kunnen worden gebruikt in toekomstige "slimme kledingstukken", waarbij de sensoren in de zolen van schoenen worden geschoven of in kleding worden gestikt om menselijke bewegingen te detecteren.

Koolstof nanobuisjes geven dit licht, flexibel, ademende stoffen coating indrukwekkend detectievermogen. Wanneer het materiaal wordt geperst, grote elektrische veranderingen in de stof zijn gemakkelijk te meten.

"Als voeler, het is erg gevoelig voor krachten variërend van aanraking tot tonnen, " zei Erik Thostenson, een universitair hoofddocent bij de afdelingen Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering.

Zenuwachtige elektrisch geleidende nanocomposietcoatings worden op de vezels gemaakt met behulp van elektroforetische depositie (EPD) van polyethyleenimine-gefunctionaliseerde koolstofnanobuizen.

"De films werken net als een kleurstof die elektrische detectiefunctionaliteit toevoegt, " zei Thostenson. "Het EPD-proces dat in mijn laboratorium is ontwikkeld, creëert deze zeer uniforme nanocomposietcoating die sterk aan het oppervlak van de vezel is gebonden. Het proces is industrieel schaalbaar voor toekomstige toepassingen."

Nutsvoorzieningen, onderzoekers kunnen deze sensoren toevoegen aan stof op een manier die superieur is aan de huidige methoden om slim textiel te maken. Bestaande technieken, zoals plating vezels met metaal of breivezel en metalen strengen samen, kan het comfort en de duurzaamheid van stoffen verminderen, zei Thorstenson, die het Multifunctional Composites Laboratory van UD leidt. De door de groep van Thostenson ontwikkelde nanocomposietcoating is flexibel en voelt prettig aan en is getest op een reeks natuurlijke en synthetische vezels, inclusief Kevlar, wol, nylon, Spandex en polyester. De coatings zijn slechts 250 tot 750 nanometer dik - ongeveer 0,25 tot 0,75 procent zo dik als een stuk papier - en zouden slechts ongeveer een gram gewicht toevoegen aan een typische schoen of kledingstuk. Bovendien, de materialen die worden gebruikt om de sensorcoating te maken, zijn goedkoop en relatief milieuvriendelijk, omdat ze bij kamertemperatuur kunnen worden verwerkt met water als oplosmiddel.

Toekomstige toepassingen verkennen

Een mogelijke toepassing van de met sensor gecoate stof is het meten van krachten op de voeten van mensen terwijl ze lopen. Deze gegevens kunnen clinici helpen om onevenwichtigheden na een blessure te beoordelen of om blessures bij atleten te voorkomen. specifiek, De onderzoeksgroep van Thostenson werkt samen met Jill Higginson, hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Neuromuscular Biomechanics Lab aan de UD, en haar groep als onderdeel van een proefproject gefinancierd door Delaware INBRE. Hun doel is om te zien hoe deze sensoren, wanneer ingebed in schoeisel, te vergelijken met biomechanische laboratoriumtechnieken zoals geïnstrumenteerde loopbanden en motion capture.

Tijdens laboratoriumtesten, mensen weten dat ze in de gaten worden gehouden, maar buiten het laboratorium, gedrag kan anders zijn.

"Een van onze ideeën is dat we dit nieuwe textiel buiten een laboratoriumomgeving zouden kunnen gebruiken - over straat lopen, thuis, waar dan ook, ’ zei Thorstenson.

Sagar Doshi, een doctoraatsstudent werktuigbouwkunde aan de UD, is de hoofdauteur van het papier. Hij werkte aan het maken van de sensoren, het optimaliseren van hun gevoeligheid, het testen van hun mechanische eigenschappen en het integreren ervan in sandalen en schoenen. Hij heeft de sensoren gedragen in voorbereidende tests, en zo ver, de sensoren verzamelen gegevens die vergelijkbaar zijn met die verzameld door een krachtplaat, een laboratoriumapparaat dat doorgaans duizenden dollars kost.

"Omdat de goedkope sensor dun en flexibel is, bestaat de mogelijkheid om op maat gemaakte schoenen en andere kledingstukken te maken met geïntegreerde elektronica om gegevens op te slaan tijdens hun dagelijks leven, " zei Doshi. "Deze gegevens zouden later door onderzoekers of therapeuten kunnen worden geanalyseerd om de prestaties te beoordelen en uiteindelijk de kosten van de gezondheidszorg te verlagen."

Deze technologie kan ook veelbelovend zijn voor toepassingen in de sportgeneeskunde, postoperatief herstel, en voor het beoordelen van bewegingsstoornissen bij pediatrische populaties.

"Het kan een uitdaging zijn om bewegingsgegevens te verzamelen bij kinderen over een bepaalde periode en in een realistische context, " zei Robert Akins, Directeur van het Center for Pediatric Clinical Research and Development in het Nemours-Alfred I. duPont Hospital for Children in Wilmington en verbonden professor in materiaalwetenschap en techniek, biomedische technologie en biologische wetenschappen aan de UD. "Dun, flexibel, zeer gevoelige sensoren zoals deze kunnen fysiotherapeuten en artsen helpen de mobiliteit van een kind op afstand te beoordelen, wat betekent dat clinici meer gegevens kunnen verzamelen, en mogelijk betere gegevens, op een kosteneffectieve manier die minder bezoeken aan de kliniek vereist dan de huidige methoden doen."

Interdisciplinaire samenwerking is essentieel voor de ontwikkeling van toekomstige toepassingen, en bij UD, ingenieurs hebben een unieke kans om samen te werken met docenten en studenten van het College of Health Sciences aan UD's Science, Technologie en geavanceerd onderzoek (STAR) Campus.

"Als ingenieurs, we ontwikkelen nieuwe materialen en sensoren, maar we begrijpen niet altijd de belangrijkste problemen die artsen, fysiotherapeuten en patiënten worden geconfronteerd, " zei Doshi. "We werken met hen samen om aan de problemen waarmee ze worden geconfronteerd te werken en ze ofwel door te verwijzen naar een bestaande oplossing of een innovatieve oplossing te creëren om dat probleem op te lossen."

De onderzoeksgroep van Thostenson gebruikt ook op nanobuisjes gebaseerde sensoren voor andere toepassingen, zoals structurele gezondheidsmonitoring.

"We werken al heel lang met koolstofnanobuisjes en op nanobuisjes gebaseerde composietsensoren, " zei Thorstenson, die is aangesloten faculteit bij UD's Center for Composite Materials (UD-CCM). In samenwerking met onderzoekers op het gebied van civiele techniek heeft zijn groep een pioniersrol gespeeld bij de ontwikkeling van flexibele nanobuissensoren om scheuren in bruggen en andere soorten grootschalige constructies te helpen detecteren. "Een van de dingen die me altijd hebben geïntrigeerd over composieten, is dat we ze op verschillende schaalgroottes ontwerpen, helemaal van de macroscopische onderdeelgeometrieën, een vliegtuig of een vliegtuigvleugel of een deel van een auto, tot de weefselstructuur of vezelniveau. Vervolgens, de versterkingen op nanoschaal zoals koolstofnanobuizen en grafeen geven ons een ander niveau om de structurele en functionele eigenschappen van het materiaal aan te passen. Hoewel ons onderzoek fundamenteel kan zijn, er is altijd oog voor toepassingen. UD-CCM heeft een lange geschiedenis in het vertalen van fundamentele onderzoeksontdekkingen in het laboratorium naar commerciële producten via het industriële consortium van UD-CCM."