Föreställ dig en enhet som kan stå emot även de mest intensiva bränderna så att den automatiskt kan signalera andra när en brandman är immobiliserad på jobbet.

UCLA-forskare och kollegor vid två andra universitet har designat det första brandskyddsmedlet, självslocknande rörelsesensor och kraftgenerator. Enheten, som är storleken på en fjärdedel, kan vara inbäddade i skor eller kläder som bärs av brandmän, oljeborrare eller andra personer vars arbete innebär extrema temperaturer eller tuffa miljöer.

Forskningen, som publicerades i tidskriften Nanoenergi , leddes av Richard Kaner, UCLA:s Dr. Myung Ki Hong Endowed Chair in Materials Innovation och medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA.

Den självdrivna sensorn är en typ av triboelektrisk nanogenerator. Triboelektrisk laddning genererar energi från utbyte av elektroner när ett material skaver mot ett annat - i det här fallet, själva enheten och bärarens kläder eller hud, eller enheten och marken. Fenomenet är detsamma som det som skapar en elektrisk stöt när du rör vid ett dörrhandtag efter att ha gnuggat fötterna på en matta.

Enheten, som forskarna kallade FRTENG (för "brandhämmande triboelektrisk nanogenerator"), kan upptäcka när bärare är i fara eller handikappade eftersom det kan känna skillnaden mellan att gå, löpning, hoppning och stillhet.

"Olika rörelser skapar elektriska signaler med olika spänningar och strömmar, sade Maher El-Kady, en biträdande forskare vid UCLA och medförfattare till studien. "De här olika strömmarna tillåter oss att identifiera om och hur någon rör sig - så att enheten kan integreras i en brandmans skor, till exempel, och skicka en hjälpsignal trådlöst i händelse av en nödsituation."

Triboelektriska nanogeratorer finns redan, men eftersom de använder material som brandfarlig plast och textilier, nuvarande modeller tål inte brand eller extrema temperaturer, sa Kaner, som också är en framstående professor i kemi och biokemi, och materialvetenskap och teknik.

För att övervinna det hindret, den nya enheten är gjord av en kolaerogel som forskarna uppfann. Aerogelen är både extremt lätt – 95 procent av dess volym är luft – och stabil vid höga temperaturer, vilket gör den idealisk för användning i en brandskyddsanordning.

"Kol aerogelen leder elektricitet effektivt och innehåller material som är miljövänliga, " sa El-Kady. "Eftersom aerogelen är så lätt, bäraren skulle inte ens känna enheten."

För att bilda aerogelen, forskarna blandade två kemikalier, formaldehyd och resorcinol, med polyakrylnitrilfibrer och grafenoxidskivor som bara var nanometer tjocka – en nanometer motsvarar en miljarddels meter, eller cirka 1/75, 000:e bredden av ett människohår – för att skapa en gel. Nanofibrerna och nanolakan ger stöd för det ultralätta materialet.

De torkade sedan gelén för att ta bort vätskeinnehållet, och värmde det i en liten kammare fylld med väte, lämnar efter sig en hållbar men lätt aerogel nanokomposit i kol.

"Med hjälp av triboelektrisk laddning, kolaerogelen fungerar som en rörelsesensor och en kraftgenerator, sa Abdelsalam Ahmed, studiens första författare, en gästforskare vid McMaster University. "Till skillnad från traditionella sensorer som förlitar sig på batterier för sin kraft, den nya enheten kan fungera på obestämd tid utan behov av några strömkällor."

För att testa enhetens brandmotstånd, forskarna exponerade den för en butan låga i 90 sekunder. De fann att det inte bara inte spred elden, men att det var självsläckande. Och, även vid 200 grader Celsius, enhetens struktur bevarades och dess elektriska effekt förblev stabil. Vid den temperaturen, de flesta konventionella triboelektriska enheter tappar prestanda eller tar till och med eld, sa Kaner.

El-Kady sa att den nya enheten också kan vara användbar i rymduppdrag - för att spåra astronauters vitala tecken eller för att generera nödkraft, till exempel. Extrema temperaturer förhindrar ofta användningen av andra elektroniska enheter under rymdfärd.