Elektroniska textilier erbjuder revolutionerande nya möjligheter inom olika områden, i synnerhet sjukvården. Men för att vara hållbar, de måste vara gjorda av förnybara material. En forskargrupp ledd av Chalmers tekniska högskola, Sverige, presenterar nu en tråd gjord av ledande cellulosa, som erbjuder fascinerande och praktiska möjligheter för elektroniska textilier.

"Miniatyr, bärbara elektroniska prylar är ofta beroende av sällsynta, eller i vissa fall giftig, material. De leder också till en gradvis uppbyggnad av stora berg av elektroniskt avfall. Det finns ett verkligt behov av ekologiskt, förnybara material för användning i elektroniska textilier, " säger Sozan Darabi, doktorand vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola och Wallenberg Wood Science Center, och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln som nyligen publicerades i ASC Tillämpade Material &Interfaces .

Tillsammans med Anja Lund, forskare i samma grupp, Sozan Darabi har arbetat med elektriskt ledande fibrer för elektroniska textilier i flera år. Fokus låg tidigare på siden, men nu har upptäckterna tagits vidare genom användning av cellulosa.

De resultat som nu presenteras av forskarna visar hur cellulosatråd erbjuder enorm potential som material för elektroniska textilier och kan användas på många olika sätt.

Sy de elektriskt ledande cellulosatrådarna till ett tyg med en vanlig hushållssymaskin, forskarna har nu lyckats ta fram en termoelektrisk textil som producerar en liten mängd el när den värms upp på ena sidan – t.ex. av en persons kroppsvärme. Vid en temperaturskillnad på 37 grader Celsius, textilen kan generera cirka 0,2 mikrowatt elektricitet.

"Denna cellulosatråd kan leda till plagg med inbyggd elektronisk, smarta funktioner, gjord av giftfri, förnybara och naturliga material, säger Sozan Darabi.

Tillverkningsprocessen för cellulosatråden har utvecklats av medförfattare från Aalto-universitetet i Finland. I en efterföljande process, Chalmersforskarna gjorde tråden ledande genom att färga den med ett elektriskt ledande polymermaterial. Forskarnas mätningar visar att färgningsprocessen ger cellulosatråden en rekordhög ledningsförmåga — som kan ökas ytterligare genom tillsats av silvernanotrådar. I tester, konduktiviteten bibehölls efter flera tvättar.

Elektroniska textilier kan förbättra våra liv på flera sätt. Ett viktigt område är sjukvård, där funktioner som reglering, övervakning, och att mäta olika hälsomått kan vara enormt fördelaktigt.

I den bredare textilindustrin, där omställning till hållbara råvaror är en viktig pågående fråga, naturmaterial och fibrer har blivit ett allt vanligare val för att ersätta syntetmaterial. Elektriskt ledande cellulosatrådar skulle kunna spela en betydande roll även här, säger forskarna.

"Cellulosa är ett fantastiskt material som på ett hållbart sätt kan utvinnas och återvinnas, och vi kommer att se det användas mer och mer i framtiden. Och när produkterna är gjorda av enhetligt material, eller så få material som möjligt, återvinningsprocessen blir mycket enklare och effektivare. Detta är ett annat perspektiv från vilket cellulosatråden är mycket lovande för utvecklingen av e-textilier, säger Christian Müller, forskningsledare för studien och professor vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola.

Detta arbete av forskargruppen från Chalmers utförs inom det nationella forskningscentret Wallenberg Wood Science Center, i samarbete med kollegor i Sverige, Finland och Sydkorea.

Mer om:Utveckla expertis inom ledande fibrer

Både Sozan Darabi och Christian Müller tror att forskningen har resulterat i mycket mer än bara den senaste vetenskapliga publikationen. Sozan Darabi har utvecklats från en student till en främsta expert på elektriskt ledande fibermaterial, något Christian Müller ser som mycket givande, och en stor styrka för deras forskargrupp.

Genom det nationella svenska forskningscentret Wallenberg Wood Science Center, en grupp från Stockholms Tekniska Högskola (KTH) har också varit involverad i forskningen och publiceringen av studien. KTH-forskarna fokuserar på de elektrokemiska aspekterna av fibrerna. Tillsammans med denna grupp från KTH, forskargruppen på Chalmers planerar nu sätt att ta idéerna till nästa nivå.

Mer om:Cellulosatråden

Det elektriskt ledande garnet produceras i en "lager-på-lager"-beläggningsprocess med ett bläck baserat på den biokompatibla polymeren polyelektrolytkomplex poly(3, 4-etylendioxitiofen):poly(styrensulfonat) (PEDOT:PSS). Den av forskarna utvecklade e-textiltråden mäter en rekordhög konduktivitet för cellulosatråd i förhållande till volym på 36 S/cm-, som kan ökas till 181 S/cm genom att lägga till silver nanotrådar. Tråden belagd med PEDOT:PSS klarar minst fem maskintvättar utan att förlora sin konduktivitet. Genom att integrera cellulosagarnet i en elektrokemisk transistor, forskarna har också kunnat påvisa dess elektrokemiska funktion.

Mer om:Textilier från natur- och modebranschens intresse

Genom hela mänsklighetens historia, textilier har tillverkats av naturfiber och cellulosa. Men sedan mitten av 1900-talet, syntetfibrer har blivit vanligare i våra kläder, särskilt inom modebranschen. Med det större fokus och medvetenhet nu om hållbara alternativ, intresset för naturfibrer och textilier återkommer och växer. Stora svenska kedjor som H&M och Lindex har satt upp höga mål för att öka andelen plagg tillverkade av mer hållbara material.

Cellulosafibern som forskarna har använt är av typen Ioncell, utvecklad av den finska gruppen, ledd av professorn och medförfattaren Herbert Sixta.