Forskere inkorporerer optoelektroniske dioder i fibre og væver dem i vaskbare stoffer

Den seneste udvikling inden for tekstiler og fibre er en slags blød hardware, du kan bære:Klud, der har elektroniske enheder indbygget lige i den.

Forskere på MIT har nu integreret højhastighedsoptoelektroniske halvlederenheder, herunder lysemitterende dioder (LED'er) og diodefotodetektorer, i fibre, der derefter blev vævet på Inman Mills, i South Carolina, i blødt, vaskbare stoffer og lavet til kommunikationssystemer. Dette markerer opnåelsen af ​​et længe søgt mål om at skabe "smarte" stoffer ved at inkorporere halvlederanordninger-nøgleingrediensen i moderne elektronik-som indtil nu var det manglende stykke til fremstilling af stoffer med sofistikeret funktionalitet.

Denne opdagelse, siger forskerne, kunne frigøre en ny "Moores lov" for fibre - med andre ord, en hurtig progression, hvor fibrenes evner ville vokse hurtigt og eksponentielt over tid, ligesom mikrochips kapacitet er vokset gennem årtier.

Resultaterne er beskrevet i denne uge i journalen Natur i et oplæg af den tidligere MIT -kandidatstuderende Michael Rein; hans forskningsrådgiver Yoel Fink, MIT professor i materialevidenskab og elektroteknik og administrerende direktør for AFFOA (Advanced Functional Fabrics of America); sammen med et team fra MIT, AFFOA, Inman Mills, EPFL i Lausanne, Schweiz, og Lincoln Laboratory.

Optiske fibre er traditionelt blevet fremstillet ved at lave et cylindrisk objekt kaldet en "præform, "som i det væsentlige er en opskaleret model af fiberen, derefter opvarmning. Blødgjort materiale trækkes eller trækkes derefter ned under spænding, og den resulterende fiber opsamles på en spole.

Det vigtigste gennembrud for at producere disse nye fibre var at tilføre præformen lysemitterende halvlederdioder på størrelse med et sandkorn, og et par kobbertråde en brøkdel af et hårs bredde. Ved opvarmning i en ovn under fibertrækningsprocessen, polymerpræformen delvis flydende, danner en lang fiber med dioderne opstillet langs midten og forbundet med kobbertrådene.

I dette tilfælde, de faste komponenter var to typer elektriske dioder fremstillet ved hjælp af standard mikrochipteknologi:lysdioder (lysdioder) og lysdioder. "Både enhederne og ledningerne bevarer deres dimensioner, mens alt krymper omkring dem" i tegneprocessen, Siger Rein. De resulterende fibre blev derefter vævet ind i stoffer, som blev vasket 10 gange for at demonstrere deres praktiske egenskaber som muligt materiale til tøj.

"Denne tilgang tilføjer en ny indsigt i processen med at lave fibre, "siger Rein, hvem var papirets hovedforfatter og udviklede det koncept, der førte til den nye proces. "I stedet for at trække materialet sammen i flydende tilstand, vi blandede enheder i partikelform, sammen med tynde metaltråde. "

En af fordelene ved at inkorporere funktion i selve fibermaterialet er, at den resulterende fiber er iboende vandtæt. For at demonstrere dette, holdet placerede nogle af de fotodetekterende fibre inde i en akvarium. En lampe uden for akvariet overførte musik (passende, Händels "Water Music") gennem vandet til fibrene i form af hurtige optiske signaler. Fibrene i tanken konverterede lyspulserne - så hurtige, at lyset ser stabilt ud for det blotte øje - til elektriske signaler, som derefter blev konverteret til musik. Fibrene overlevede i vandet i flere uger.

Selvom princippet lyder enkelt, får det til at fungere konsekvent, og sørge for, at fibrene kunne fremstilles pålideligt og i mængde, har været en lang og vanskelig proces. Medarbejdere ved Advanced Functional Fabric of America Institute, anført af Jason Cox og Chia-Chun Chung, udviklet veje til at øge udbyttet, gennemstrømning, og generel pålidelighed, gør disse fibre klar til overgang til industrien. På samme tid, Marty Ellis fra Inman Mills udviklede teknikker til vævning af disse fibre i tekstiler ved hjælp af en konventionel fremstillingsvæv i industriel skala.

"Dette papir beskriver en skalerbar vej til at inkorporere halvlederindretninger i fibre. Vi forventer fremkomsten af ​​en" Moores lov "-analog i fibre i de kommende år, "Fink siger." Det giver os allerede mulighed for at udvide stoffets grundlæggende muligheder for at omfatte kommunikation, belysning, fysiologisk overvågning, og mere. I de kommende år vil tekstiler levere værditilvækst og vil ikke længere kun blive udvalgt med hensyn til æstetik og komfort. "

Han siger, at de første kommercielle produkter, der inkorporerer denne teknologi, vil nå markedet allerede næste år - en overordentlig kort fremgang fra laboratorieforskning til kommercialisering. En sådan hurtig lab-to-market-udvikling var en vigtig del af årsagen til i første omgang at skabe et akademisk-industri-regering-samarbejde som AFFOA, han siger. Disse indledende applikationer vil være specialiserede produkter, der involverer kommunikation og sikkerhed. "Det bliver det første stofkommunikationssystem. Vi er lige nu i gang med at overføre teknologien til indenlandske producenter og industri med en hidtil uset hastighed og skala, " han siger.

Ud over kommercielle applikationer, Fink siger, at det amerikanske forsvarsministerium - en af ​​AFFOAs store støtter - "undersøger anvendelser af disse ideer til vores kvinder og mænd i uniform."

Ud over kommunikation, fibrene kan potentielt have betydelige anvendelser inden for det biomedicinske område, siger forskerne. For eksempel, enheder, der bruger sådanne fibre, kan bruges til at lave et armbånd, der kan måle puls- eller iltindhold i blodet, eller væves ind i en bandage for løbende at overvåge helingsprocessen.