Nylon kan tyckas vara det självklara materialet för elektroniska textilier – inte bara finns det en etablerad textilindustri baserad på nylon, men den har bekvämt en kristallin fas som är piezoelektrisk – tryck på den och du får en laddningsuppbyggnad som är perfekt för tryckavkänning och utvinning av energi från omgivande rörelse.

Tyvärr, att forma nylon till fibrer samtidigt som det får den att ta på sig kristallstrukturen som har en piezoelektrisk respons är inte okomplicerat. "Det här har varit en utmaning i nästan ett halvt sekel, " förklarar Kamal Asadi, en forskare vid Max-Planck Institute for Polymer Research, Tyskland, och professor vid University of Bath, U.K. I en nyligen Avancerade funktionella material Rapportera, han och hans medarbetare beskriver hur de nu äntligen har övervunnit detta.

Den piezoelektriska fasen av nylon tilltalar inte bara elektroniska textilier utan alla typer av elektroniska enheter, särskilt där det finns efterfrågan på något mindre skört än den konventionella piezoelektriska keramen. Dock, i årtionden, det enda sättet att producera nylon med den kristallina fasen som har en stark piezoelektrisk respons har varit att smälta den, kyl det snabbt och sträck det sedan så att det sätter sig i en smektisk δ'-fas. Detta ger plattor som vanligtvis är tiotals mikrometer tjocka - alldeles för tjocka för tillämpningar i elektroniska enheter eller elektroniska textilier.

Närvaron av piezoelektriskt beteende härrör från amidenheterna på de upprepade enheterna i en nylonpolymerkedja, och deras interaktion med dem i den närliggande kedjan. När dessa amider är fria att rikta in sina dipoler med ett elektriskt fält, det är möjligt att utnyttja den piezoelektriska effekten i materialet, som först observerades så långt tillbaka som på 1980-talet. Dock, vad som händer i de flesta av nylonets kristallina faser är att dessa amider bildar starka vätebindningar med amider på andra polymerkedjor som låser dem på plats, hindra dem från att omorientera och anpassa sig. Utmaningen var alltså att hitta ett sätt att producera den fas som lämnade amiderna fria att omorientera men var inte så begränsad i de morfologier som den kan producera som smältan, coolt och stretchigt tillvägagångssätt.

Ren framgång

Medan de flesta forskargrupper runt om i världen hade övergett ansträngningarna att producera piezoelektriska filmer eller fibrer på 1990-talet, ankomsten till Asadis grupp av en "briljant student som var textilingenjör" - Saleem Anwar - fick Asadi att ta en titt på problemet. Forskarna började med att överväga de väsentliga faktorerna för att producera nylon i en fas med starka piezoelektriska egenskaper. smältan, sval och stretch-metoden handlar om att snabbt kyla nylonet, så Asadi och Anwar och deras medarbetare tittade på hur de kunde få samma effekt genom att lösa upp nylonet i ett lösningsmedel och sedan snabbt extrahera det lösningsmedlet. Men lösningsmedlen tenderar att lösa upp nylonet genom att attackera vätebindningarna mellan amiderna, och bildar vätebindningar i deras ställe, så att det då är nästan omöjligt att få bort lösningsmedlet.

Genombrottet kom en dag när Anwar berättade för Asadi om en märklig observation när han rensade upp med aceton efter ett experiment där han hade försökt framställa nylonfilmer med trifluorättiksyra (TFA) som lösningsmedel. Nylonlösningsspillet hade blivit genomskinligt. Att misstänka den plötsliga insynen måste indikera att en reaktion ägde rum, teamet gjorde en lösning av TFA och aceton och försökte bearbeta nylon från det. Säker nog, följande vecka, "Saleem kom tillbaka med sitt "eureka"-ögonblick – "Jag har det!" säger Asadi.

Vad Anwar hade snubblat på var vätebindningen mellan aceton och TFA, som är bland de starkaste vätebindningarna som vetenskapen känner till. Så när forskarna lade lösningen på ett substrat i högvakuum för att förånga lösningsmedlet, som Asadi uttrycker det, "Det är bokstavligen som att aceton tar handen av TFA-molekylerna och bär ut dem ur nylonet, som ger den piezoelektriska kristallina fasen."

Fiber sweet spot

Forskarna var de första som producerade tunna filmer av nylon med en stark piezoelektrisk respons. Men det löste inte riktigt problemet med att producera fibrer, eftersom produktionsmetoderna fortfarande var oförenliga med ett högvakuum. Så de tittade på andra sätt att kontrollera lösningsmedelsextraktionshastigheten. De fokuserade på att producera fibrer genom elektrospinning, där ett elektriskt fält drar en polymerlösning till fibrer med diametrar som kan vara så små som tiotals nanometer breda, där fiberns höga ytarea-till-volymförhållande ger en hög lösningsmedelsextraktionshastighet. Tricket var då att balansera detta med polymerlösningens viskositet och elektrospinningsförhållandena så att andra faktorer inte kom i vägen för att fibern bildades i den prisade δ'-fasen.

Forskarna hittade en sweet spot mellan de konkurrerande faktorerna för fibrer runt 200 nm breda. Mätningar av potentialen genererad under en periodisk mekanisk påverkan vid en frekvens på 8 Hz visade att fibrerna i δ'-fas på 200 nm genererade 6 V, medan de smalare fibrerna producerade mindre än 0,6 V eftersom faktorer associerade med smalheten vid dessa bredder ledde till att fibrerna bildades i en fas utan piezoelektrisk respons.

Faktiskt, i bredare fibrer runt 1000 nm, nylon som bildas i en y-kristallin fas, som bara har en svag piezoelektrisk respons, eftersom fibrerna var för tjocka för effektiv snabb lösningsmedelsextraktion. Det sämre piezoelektriska svaret för y-fasen i de tjockare fibrerna kompenserades på något sätt av den större volymen av fibrerna, vilket ledde till generering av potentialer på 4V. Dock, 200 nm 5'-fasfibrerna hade fortfarande fördelen av ett mer känsligt svar.

Ledningarnas känslighet för gängning antyder ett spännande utbud av möjliga tillämpningar, från biometrisk övervakning som pulsmätningar, till en enhet som kan låta dig ladda din mobiltelefon bara genom att gå runt i dina nylonkläder.

© 2020 Science X Network