Nylon indtager endelig sin plads som et piezoelektrisk tekstil

Nylon kan virke som det oplagte materiale til elektroniske tekstiler – ikke kun er der en etableret tekstilindustri baseret på nylon, men den har bekvemt en krystallinsk fase, der er piezoelektrisk – tryk på den, og du får en opbygning af ladning, der er perfekt til trykføling og høst af energi fra omgivende bevægelse.

Desværre, at danne nylon til fibre og samtidig få det til at overtage krystalstrukturen, der har en piezoelektrisk respons, er ikke ligetil. "Dette har været en udfordring i næsten et halvt århundrede, " forklarer Kamal Asadi, en forsker ved Max-Planck Institute for Polymer Research, Tyskland, og professor ved University of Bath, U.K. I en nylig Avancerede funktionelle materialer rapport, han og hans samarbejdspartnere beskriver, hvordan de nu endelig har overvundet dette.

Den piezoelektriske fase af nylon appellerer ikke kun til elektroniske tekstiler, men alle slags elektroniske enheder, især hvor der er efterspørgsel efter noget mindre skørt end den konventionelle piezoelektriske keramik. Imidlertid, i årtier, den eneste måde at producere nylon med den krystallinske fase, der har en stærk piezoelektrisk respons, har været at smelte den, afkøl det hurtigt og stræk det derefter, så det sætter sig i en smektisk δ'-fase. Dette producerer plader, der typisk er titusinder af mikrometer tykke - alt for tykke til anvendelser i elektroniske enheder eller elektroniske tekstiler.

Tilstedeværelsen af ​​piezoelektrisk adfærd stammer fra amiddelene på de gentagne enheder i en nylonpolymerkæde, og deres interaktion med dem i nabokæden. Når disse amider er frie til at justere deres dipoler med et elektrisk felt, det er muligt at udnytte den piezoelektriske effekt i materialet, som først observeret så langt tilbage som i 1980'erne. Imidlertid, hvad der sker i de fleste af nylonens krystallinske faser er, at disse amider danner stærke hydrogenbindinger med amider på andre polymerkæder, der låser dem på plads, forhindrer dem i at omorientere og justere. Udfordringen var således at finde en måde at producere den fase, der efterlod amiderne fri til at omorientere, men som ikke var så begrænset i de morfologier, den kan producere, som smelten, kølig og stræk tilgang.

Ren succes

Mens de fleste forskningsgrupper rundt om i verden havde opgivet bestræbelserne på at producere piezoelektriske film eller fibre i 1990'erne, ankomsten til Asadis gruppe af en "genial studerende, der var tekstilingeniør" - Saleem Anwar - fik Asadi til at se på problemet. Forskerne begyndte med at overveje de væsentlige faktorer for at producere nylon i en fase med stærke piezoelektriske egenskaber. Smelten, Cool and stretch tilgang afhænger af hurtig afkøling af nylonet, så Asadi og Anwar og deres samarbejdspartnere så på, hvordan de kunne få den samme effekt ved at opløse nylonen i et opløsningsmiddel og derefter hurtigt ekstrahere opløsningsmidlet. Men opløsningsmidlerne har en tendens til at opløse nylonen ved at angribe brintbindingerne mellem amiderne, og danner hydrogenbindinger i stedet for, så det er næsten umuligt at komme af med opløsningsmidlet.

Gennembruddet kom en dag, da Anwar fortalte Asadi om en mærkelig observation, mens han ryddede op med acetone efter et eksperiment, hvor han havde forsøgt at fremstille nylonfilm med trifluoreddikesyre (TFA) som opløsningsmiddel. Spild af nylonopløsningen var blevet gennemsigtig. Mistanke om den pludselige gennemsigtighed skal indikere, at en reaktion fandt sted, holdet lavede en løsning af TFA og acetone og prøvede at bearbejde nylon fra det. Helt sikkert, ugen efter, "Saleem kom tilbage med sit 'eureka'-øjeblik – 'Jeg har det!'," siger Asadi.

Det, Anwar var stødt på, var hydrogenbindingen mellem acetone og TFA, som er blandt de stærkeste brintbindinger kendt af videnskaben. Så da forskerne lagde opløsningen på et substrat i højvakuum for at fordampe opløsningsmidlet, som Asadi udtrykker det, "Det er bogstaveligt talt som om acetonen tager hånden af ​​TFA-molekylerne og bærer dem ud af nylonen, hvilket giver den piezoelektriske krystallinske fase."

Fiber sweet spot

Forskerne var de første til at producere tynde film af nylon med en stærk piezoelektrisk respons. Men det løste ikke helt problemet med at producere fibre, da produktionsmetoderne stadig var uforenelige med et højvakuum. Så de så på andre måder, de kunne kontrollere opløsningsmiddelekstraktionshastigheden på. De fokuserede på at producere fibre ved elektrospinning, hvor et elektrisk felt trækker en polymeropløsning til fibre med diametre, der kan være så små som titusinder af nanometer brede, hvor fiberens høje overfladeareal-til-volumenforhold giver en høj opløsningsmiddelekstraktionshastighed. Tricket var så at balancere dette med viskositeten af ​​polymeropløsningen og elektrospinningsbetingelserne, således at andre faktorer ikke kom i vejen for, at fiberen dannedes i den værdsatte δ'-fase.

Forskerne fandt et sweet spot mellem de konkurrerende faktorer for fibre omkring 200 nm brede. Målinger af potentialet genereret under en periodisk mekanisk påvirkning ved en frekvens på 8 Hz viste, at 200 nm δ'-fasefibrene genererede 6 V, hvorimod de smallere fibre producerede mindre end 0,6 V, fordi faktorer forbundet med snæverheden ved disse bredder førte til, at fibrene dannedes i en fase uden piezoelektrisk respons.

Faktisk, i bredere fibre omkring 1000 nm, nylon dannet i en y-krystallinsk fase, som kun har en svag piezoelektrisk respons, fordi fibrene var for tykke til effektiv hurtig opløsningsmiddelekstraktion. Den dårligere piezoelektriske respons af y-fasen i de tykkere fibre blev på nogle måder kompenseret af det større volumen af ​​fibrene, hvilket førte til generering af potentialer på 4V. Imidlertid, 200 nm δ'-fasefibrene havde stadig fordelen af ​​et mere følsomt respons.

Ledningernes følsomhed over for bankning antyder en spændende række mulige anvendelser, fra biometrisk overvågning såsom pulsmålinger, til en enhed, der kunne give dig mulighed for at oplade din mobiltelefon bare ved at gå rundt i dit nylontøj.

© 2020 Science X Network