En ny metod för att tillverka ledande bomullstyger med grafenbaserade bläck öppnar nya möjligheter för flexibel och bärbar elektronik, utan användning av dyra och giftiga bearbetningssteg.

Bärbar, textilbaserad elektronik ger nya möjligheter för flexibla kretsar, vård och miljöövervakning, energiomvandling, och många andra. Nu, forskare vid Cambridge Graphene Center (CGC) vid University of Cambridge, arbetar i samarbete med forskare vid Jiangnan University, Kina, har utarbetat en metod för att deponera grafenbaserade bläck på bomull för att producera en ledande textil. Arbetet, publiceras i tidskriften Kol , visar en bärbar rörelsesensor baserad på den ledande bomullen.

Bomullstyg är bland de mest utbredda för användning i kläder och textilier, eftersom den andas och är bekväm att bära, samt att den är tålig att tvätta. Dessa egenskaper gör den också till ett utmärkt val för textilelektronik. En ny process, utvecklad av Dr Felice Torrisi vid CGC, och hans medarbetare, är en låg kostnad, hållbar och miljövänlig metod för att tillverka ledande bomullstextilier genom att impregnera dem med ett grafenbaserat ledande bläck.

Baserat på Dr Torrisis arbete med formuleringen av tryckbara grafenbläck för flexibel elektronik, teamet skapade bläck av kemiskt modifierade grafenflingor som är mer vidhäftande till bomullsfibrer än omodifierad grafen. Värmebehandling efter avsättning av bläcket på tyget förbättrar ledningsförmågan hos den modifierade grafenen. Vidhäftningen av den modifierade grafenen till bomullsfibern liknar hur bomull håller färgade färgämnen, och låter tyget förbli ledande efter flera tvättar.

Även om många forskare runt om i världen har utvecklat bärbara sensorer, de flesta av de nuvarande bärbara teknologierna är beroende av styva elektroniska komponenter monterade på flexibla material som plastfilmer eller textilier. Dessa erbjuder begränsad kompatibilitet med huden under många omständigheter, är skadade vid tvätt och är obekväma att ha på sig eftersom de inte andas.

"Andra ledande bläck är gjorda av ädelmetaller som silver, vilket gör dem mycket dyra att producera och inte hållbara, medan grafen både är billigt, miljövänlig, och kemiskt kompatibel med bomull, " förklarar Dr Torrisi.

Medförfattare professor Chaoxia Wang vid Jiangnan University tillägger:"Denna metod kommer att göra det möjligt för oss att sätta elektroniska system direkt i kläder. Det är en otrolig möjliggörande teknik för smarta textilier."

Arbetet utfört av Dr Torrisi och Prof Wang, tillsammans med eleverna Tian Carey och Jiesheng Ren, öppnar ett antal kommersiella möjligheter för grafenbaserade bläck, allt från personlig hälsoteknik, högpresterande sportkläder, militära kläder, bärbar teknologi/datorer och mode.

"Att förvandla bomullsfibrer till funktionella elektroniska komponenter kan öppna för en helt ny uppsättning applikationer från sjukvård och välbefinnande till Internet of Things, " säger Dr Torrisi "Tack vare nanoteknik, i framtiden skulle våra kläder kunna innehålla denna textilbaserade elektronik och bli interaktiva."

Grafen är kol i form av enatomtjocka membran, och är mycket ledande. Gruppens arbete är baserat på spridningen av små grafenark, var och en mindre än en nanometer tjock, i en vattenbaserad dispersion. De individuella grafenarken i suspension är kemiskt modifierade för att fästa väl vid bomullsfibrerna under tryckning och avsättning på tyget, leder till ett tunt och enhetligt ledande nätverk av många grafenark. Detta nätverk av nanometerflingor är hemligheten bakom den höga känsligheten för påfrestningar som induceras av rörelse. En enkel grafenbelagd smart bomullstextil som används som en bärbar töjningssensor har visat sig pålitligt detektera upp till 500 rörelsecykler, även efter mer än 10 tvättcykler i vanlig tvättmaskin.

Användningen av grafen och andra relaterade 2D-material (GRM)-bläck för att skapa elektroniska komponenter och enheter integrerade i tyger och innovativa textilier är i centrum för nya tekniska framsteg inom den smarta textilindustrin. Dr Torrisi och kollegor vid CGC är också involverade i flaggskeppet grafen, en EG-finansierad, pan-europeiskt projekt dedikerat till att föra grafen- och GRM-teknologier till kommersiella tillämpningar.

Grafen och GRM förändrar det vetenskapliga och tekniska landskapet med attraktiva fysiska egenskaper för elektronik, fotonik, avkänning, katalys och energilagring. Grafens atomtjocklek och utmärkta elektriska och mekaniska egenskaper ger utmärkta fördelar, tillåter avsättning av extremt tunna, flexibla och ledande filmer på ytor och – med denna nya metod – även på textilier. Detta i kombination med miljökompatibiliteten hos grafen och dess starka vidhäftning till bomull gör grafen-bomulls spänningssensorn idealisk för bärbara applikationer.

Forskningen stöddes av anslag från European Research Councils Synergy Grant, det internationella forskningsstipendiet från Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse och Kinas ministerium för vetenskap och teknik. Tekniken kommersialiseras av Cambridge Enterprise, universitetets kommersialiseringsarm.