Materialer kemikere banker kropsvarme for at drive smarte beklædningsgenstande

Mange bærbare biosensorer, datasendere og lignende teknologiske fremskridt til personlig sundhedsovervågning er nu blevet "kreativt miniaturiseret, "siger materialekemiker Trisha Andrew ved University of Massachusetts Amherst, men de kræver meget energi, og strømkilder kan være omfangsrige og tunge. Nu har hun og hendes ph.d. studerende Linden Allison rapporterer, at de har udviklet et stof, der kan høste kropsvarme til at drive små bærbare mikroelektronikker såsom aktivitetsmålere.

Skriver i en tidlig online udgave af Avancerede materialeteknologier , Andrew og Allison forklarer, at i teorien, kropsvarme kan producere strøm ved at drage fordel af forskellen mellem kropstemperatur og køligere luft i omgivelserne, en "termoelektrisk" effekt. Materialer med høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne kan flytte elektrisk ladning fra et varmt område mod en køligere på denne måde.

Nogle undersøgelser har vist, at små mængder strøm kan høstes fra en menneskekrop i løbet af en otte timers arbejdsdag, men de specielle materialer, der er nødvendige i øjeblikket, er enten meget dyre, giftig eller ineffektiv, de påpeger. Andrew siger, "Det, vi har udviklet, er en måde at billigt dampudskrive biokompatibel, fleksible og lette polymerfilm lavet af hverdag, rigelige materialer på bomuldsstoffer, der har høje nok termoelektriske egenskaber til at give temmelig høj termisk spænding, nok til at drive en lille enhed. "

Til dette arbejde, forskerne udnyttede uld og bomulds naturligt lave varmetransportegenskaber til at skabe termoelektriske beklædningsgenstande, der kan opretholde en temperaturgradient på tværs af en elektronisk enhed kendt som en termopil, som omdanner varme til elektrisk energi selv over lange perioder med kontinuerligt slid. Dette er en praktisk overvejelse for at sikre, at det ledende materiale vil være elektrisk, mekanisk og termisk stabil over tid, Andrew bemærker.

"Grundlæggende, vi udnyttede den grundlæggende isolerende egenskab af stoffer til at løse et mangeårigt problem i enhedssamfundet, "sammenfatter hun og Allison." Vi mener, at dette arbejde vil være interessant for enhedsingeniører, der søger at udforske nye energikilder til bærbar elektronik og designere, der er interesserede i at skabe smarte beklædningsgenstande. "

Specifikt, de skabte deres termopil i fuldt stof ved dampudskrivning af en ledende polymer kendt som vedvarende p-dopet poly (3, 4-ethylendioxythiophen) (PEDOT-Cl) på en tætvævet og en mellemvævet form af kommercielt bomuldsstof. De integrerede derefter denne termopile i et specielt designet, bærbart bånd, der genererer termospændinger større end 20 milliVolt, når de bæres på hånden.

Forskerne testede holdbarheden af ​​PEDOT-CI-belægningen ved at gnide eller vaske belagte stoffer i varmt vand og vurdere ydeevne ved at scanne elektronmikrograf, som viste, at belægningen "ikke revnede, delaminere eller skylle mekanisk væk, når de vaskes eller slibes, bekræfter den mekaniske robusthed af den damptrykte PEDOT-CI. "

De målte overfladens elektriske ledningsevne af belægningerne ved hjælp af en specialbygget sonde og fandt ud af, at den løsere vævede bomuld viste højere ledningsevne end det strammere vævemateriale. Ledningsevnerne for begge tekstiler "forblev stort set uændrede efter gnidning og hvidvask, "tilføjer de.

Ved hjælp af et termisk kamera, de fastslog, at håndleddet, håndflade og overarme af frivillige udstrålede mest varme, så Andrew og Allison producerede elastiske strikkede bånd af termoelektrisk stof, der kan bæres i disse områder. Den lufteksponerede yderside af båndet er isoleret fra kropsvarme med garntykkelse, mens kun den uovertrukne side af termopilen kommer i kontakt med huden for at reducere risikoen for allergisk reaktion på PEDOT-CI, de påpeger.

Forskerne bemærker, at sved betydeligt øgede termo -spændingsudbyttet af det elastiske armbånd, hvilket ikke var overraskende, da fugtig bomuld er kendt for at være en bedre varmeleder end tørre stoffer, de observerer. De var i stand til at slukke varmeoverførsel efter behag ved at indsætte et varmereflekterende plastlag mellem brugerens hud og båndet, såvel.

Samlet set, de siger, "Vi viser, at den reaktive dampbelægningsproces skaber mekanisk robuste stoftermopiler" med "især høje termoelektriske effektfaktorer" ved lave temperaturforskelle sammenlignet med traditionelt producerede enheder. "Yderligere, vi beskriver bedste praksis for naturligt at integrere termopiler i beklædningsgenstande, som gør det muligt at opretholde betydelige temperaturgradienter på tværs af termopilen trods kontinuerligt slid. "