Karbon nanotüplere dayalı sensörler: yeni akıllı kumaşlar yaratmak!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri Delaware Üniversitesi'nden bir mühendis ekibi, pamuk, naylon ve yün gibi bir dizi elyaf üzerinde esnek karbon nanotüp kompozit kaplamalar üreterek yeni nesil akıllı kumaşları geliştirdi.
arka fon
Birçok geleneksel ürün gibi, giyim de yeni bir araştırma alanı olan akıllı kumaşlara doğru ilerliyor. Akıllı kumaşlar, geleneksel tekstil endüstrisinin elektronik teknolojisi, üretim teknolojisi, sensör teknolojisi ve Nesnelerin İnterneti teknolojisi gibi gelişmekte olan teknolojilerle daha fazla entegrasyonunu işaret ediyor.
Akıllı kumaşlar yapmak için pek çok malzeme var, ancak bunlardan biri çok dikkate değer: karbon nanotüpler. Karbon nanotüpler çelik ve karbon fiberden daha güçlüdür, bakırdan daha iyi iletkenliğe sahiptir ve alüminyumdan daha hafiftir.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Bir dizi mükemmel özellik, karbon nanotüpleri akıllı kumaşlar için önemli aday malzemelerden biri yapar. Yazar, akıllı kumaşlar yapmak için karbon nanotüplerin kullanımıyla ilgili bir vaka çalışmasını tanıttı. İşte bir inceleme:
1) Cincinnati Üniversitesi ve Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü'ndeki mühendisler, akıllı telefonları şarj edebilen giysilere dokunabilen özel bir iplik oluşturmak için karbon nanotüpler kullandılar.
(Resim kaynağı: Cincinnati Üniversitesi)
2) Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, mükemmel elektrik iletkenliğine ve bakır filmden 50 kat daha yüksek bir tokluğa sahip ultra ince bir karbon nanotüp kumaş sentezlediler.
(Resim kaynağı: Illinois Üniversitesi)
Yenilikçilik
Bugün, karbon nanotüpler aracılığıyla akıllı kumaşlar yaratmanın bir vaka çalışmasına bakalım. Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri Delaware Üniversitesi'nden bir mühendis ekibi, pamuk, naylon ve yün gibi bir dizi elyaf üzerinde esnek karbon nanotüp kompozit kaplamalar üreterek yeni nesil akıllı kumaşları geliştirdi.
(Resim kaynağı: Delaware Üniversitesi)
İlgili makaleler "ACS Sensors" dergisinde yayınlandı. Makalede, araştırmacılar çok geniş bir basınç aralığını (parmak ucunun hafif dokunuşundan forkliftin ağır çarpışmasına kadar) ölçme yeteneğini gösterdiler.
Bu algılama teknolojisi ile kaplanan kumaş, gelecekteki "akıllı kıyafetlerde" kullanılabilir. Bu "akıllı giyside" sensörler, insan hareketini algılamak için tabana gömülebilir veya giysiye dikilebilir.
teknoloji
Karbon nanotüpler bu hafif, esnek ve nefes alabilen kumaş kaplamaya etkileyici bir algı kazandırır. Malzeme sıkıldığında kumaştaki büyük elektriksel değişiklikler kolaylıkla ölçülebilir.
Okuldaki Malzeme ve Makine Mühendisliği Bölümü ile Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü doçenti Erik Thostenson şunları söyledi: "Bir sensör olarak, güçleri zayıftan şiddetliye kadar çok hassas bir şekilde algılayabilir."
Bilim adamları, fiber üzerinde sinir benzeri iletken bir nanokompozit kaplama oluşturmak için elektroforetik biriktirme (EPD) polietilenimin işlevselleştirilmiş karbon nanotüpler kullandılar.
Thostenson şunları söyledi: "Film, elektriksel algılama işlevine sahip bir boya gibi davranıyor. Deneyimde geliştirilen EPD işlemi, fiber yüzeyine güçlü bir yapışma sağlayabilen bu çok üniform nanokompozit kaplamayı yaratıyor. Rol. Gelecekteki uygulamalar için bu işlem endüstriyel ölçeklenebilirliğe sahiptir. "
(Resim kaynağı: referans [2])
Şimdi, araştırmacılar bu sensörleri, mevcut diğer akıllı kumaş yapma yöntemlerini aşan yeni bir yöntemle kumaşa ekliyor. Delaware Üniversitesi Çok Fonksiyonlu Kompozitler Laboratuvarı başkanı Thostenson, fiberleri metalle kaplamak veya fiberleri ve metal iplikleri birlikte dokumak gibi mevcut teknolojilerin kumaşların rahatlığını ve dayanıklılığını azalttığını söyledi.
Thostenson'ın araştırma ekibi tarafından geliştirilen nanokompozit kaplama esnek ve rahattır ve Kevlar, yün, naylon, spandeks ve polyester dahil olmak üzere bir dizi doğal ve sentetik elyaf üzerinde test edilmiştir. Kaplamanın kalınlığı, bir kağıt parçasının kalınlığının yaklaşık% 0.25 ila% 0.75'i kadar olan sadece 250 nanometre ila 750 nanometre arasındadır ve ayakkabılara veya giysilere yalnızca bir gram ağırlık ekler. Ek olarak, sensör kaplamalarını üretmek için kullanılan malzemeler düşük maliyetli ve nispeten çevre dostudur çünkü oda sıcaklığında çözücü olarak su ile işlenebilirler.
(Resim kaynağı: Delaware Üniversitesi)
değer
Bu sensör kaplı kumaşın potansiyel bir uygulaması, insanların yürürken ayaklarının gücünü ölçmektir. Bu veriler, doktorların hastanın yaralanmasının neden olduğu fiziksel dengesizliği değerlendirmesine veya sporcuların yaralanmasını önlemesine yardımcı olabilir. Trotenson'ın araştırma ekibi özellikle Delaware Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü profesörü ve Nöromüsküler Biyomekanik Laboratuvarı yöneticisi Jill Higginson ile işbirliği yapıyor. Amaçları, ayakkabılara gömülü olan bu sensörler ile koşu bantları ve hareket yakalama cihazları gibi biyomekanik laboratuar teknolojileri arasındaki farkları incelemektir.
Laboratuvar testleri sırasında, insanlar gözlemlendiklerini bilirler ancak laboratuvar dışında davranış aynı olmayabilir.
Thostenson, "Fikirlerimizden biri, bu yeni kumaşları laboratuarın dışında sokakta, evde ve her yerde yürümek için kullanabileceğimizdir." Dedi.
Delaware Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde doktora öğrencisi olan Sagar Doshi, makalenin baş yazarıdır. Bu sensörleri yaptı, hassasiyetlerini optimize etti, mekanik özelliklerini test etti ve onları sandaletlere ve diğer ayakkabılara entegre etti. Bu sensörleri ön deneylerde taktı. Şimdiye kadar, bu sensörler tarafından toplanan veriler, bir kuvvet plakası (birkaç bin dolar değerinde bir laboratuvar cihazı) tarafından toplanan verilerle karşılaştırılabilir.
Doshi şunları söyledi: "Bu düşük maliyetli sensör ince ve esnek olduğu için kişiselleştirilmiş ayakkabılara ve diğer giysilere dönüştürülmesi bekleniyor. Günlük yaşamda bu ayakkabılar ve giysiler, verileri depolamak için elektronik cihazları entegre ediyor. Ardından, araştırmacılar veya terapistler Bu veriler, kullanıcının performansını değerlendirmek ve sonuç olarak sağlık hizmetlerinin maliyetini azaltmak için analiz edilebilir. "
Bu teknolojinin spor hekimliği, ameliyat sonrası iyileşme ve çocuklarda hareket bozukluklarının değerlendirilmesinde de kullanılması bekleniyor.
Nemours-Alfred I. duPont Çocuk Hastanesi Pediatrik Klinik Araştırma ve Geliştirme Merkezi Direktörü, Wilmington, Delaware, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Biyomedikal Mühendisliği ve Biyolojik Bilimler Bölümü'nden Profesör Robert Akins şunları söyledi: "Gerçek ortamlarda ve belirli bir süre boyunca, çocukların hareket verilerini toplamak çok zor. Bu kadar ince, esnek ve son derece hassas sensörler, fizyoterapistlerin ve doktorların çocukları uzaktan değerlendirmesine yardımcı olacak. Bu, klinisyenlerin daha fazla ve daha iyi veri toplamak için düşük maliyetli bir yöntem kullanabileceği anlamına gelir. Mevcut yöntemlerle karşılaştırıldığında, daha az ayakta hasta ziyareti olacaktır. "
Gelecekteki uygulamaların geliştirilmesi için disiplinler arası işbirliği esastır. Delaware Üniversitesi'ndeki mühendislere, Delaware Üniversitesi'nin STAR kampüsündeki Sağlık Bilimleri Fakültesi'nden öğretim üyeleri ve öğrencilerle çalışma fırsatı verildi.
Doshi şunları söyledi: Mühendisler olarak yeni malzemeler ve sensörler geliştiriyoruz, ancak doktorların, fizyoterapistlerin ve hastaların karşılaştığı sorunları her zaman anlamıyoruz. Karşılaştıkları sorunları çözmek için onlarla birlikte çalışıyoruz veya mevcut olanları kullanıyoruz. Plan onlara rehberlik ediyor veya sorunu çözmek için yenilikçi bir plan oluşturuyor. "
Thostenson'ın araştırma ekibi ayrıca yapısal sağlık izleme gibi diğer uygulamalar için nanotüp tabanlı sensörler kullandı.
Delaware Üniversitesi Kompozit Merkezi'nde (UD-CCM) öğretim üyesi olan Thostenson ve inşaat mühendisliği araştırmacıları ekibi, köprülerdeki ve diğer büyük yapılardaki çatlakları tespit etmek için esnek bir karbon nanotüp sensörü geliştirdi. Thostenson, "Uzun süredir karbon nanotüpler ve nanotüp tabanlı kompozit sensörler üzerinde çalışıyoruz. Kompozit malzemelerle ilgili olarak, beni her zaman çeken bir şey, makroskopik parçalardan başlayarak farklı uzunluklarda kompozit malzemeler tasarlamamızdır. Uçaklar veya kanatlar gibi agregalar ve otomobil parçaları, kumaş yapısına veya lif seviyesine kadar uzanır. Ardından, karbon nanotüpler ve grafen gibi nano iyileştirmeler bizi malzemelerin yapısını ve işlevsel özelliklerini özelleştirebileceğimiz bir düzeye getirir. UD-CCM'nin araştırması esastır, ancak uygulamalara da odaklanıyoruz. UD-CCM, laboratuvardaki temel araştırma bulgularını endüstriyel ortaklar aracılığıyla kompozit ürünlere dönüştürme konusunda uzun bir geçmişe sahiptir. "
Anahtar kelime
Akıllı kumaşlar, karbon nanotüpler, sensörler
Referans
[1] https://www.udel.edu/udaily/2018/august/smart-textiles-nanotube-sensors/
[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.8b00378
