Uppvärmda handskar, armband, och även ringar är några av de potentiella tillämpningarna av högledande MXene, ett 2D-material tillverkat av alternerande atomlager av titan och kol. I en ny studie, forskare har tillverkat MXene-flingor, fäste sedan flingorna elektrostatiskt på trådar, och slutligen sydde trådarna till vanliga tyger som säkert kan värmas under låg spänning.

Forskarna, ledd av Chong Min Koo, vid Korea Institute of Science and Technology och Korea University, och Cheolmin Park, vid Yonsei University, har publicerat en artikel om den formanpassningsbara MXene-värmaren i ett färskt nummer av ACS Nano .

På senare år har forskare har undersökt olika material som ska användas som flexibla, bärbara värmare. Även om material som kolnanorör och grafen har utmärkta elektriska och optiska egenskaper, det har varit utmanande att bearbeta dem för användning i applikationer.

Ett nyare material, MXene introducerades först 2011 av forskare vid Drexel University. MXene är ett 2D-kristallint material som uppvisar metallliknande ledningsförmåga och starkt beteende omvandling av elektrisk till värme. Det kan också lätt bearbetas till tunna filmer och tyger.

"Vi kunde utveckla nya lätta, kostnadseffektiva men högpresterande elektriska värmare baserade på framväxande 2D-material av MXene, som är lämpliga för bärbara och på kroppen applikationer, " berättade Park Phys.org . "Flera kandidater för ändamålet har föreslagits, baserad på kol nanomaterial, men de är begränsade av antingen deras dåliga bearbetbarhet eller låga elektriska ledningsförmåga som involverar skadliga och giftiga kemikalier. Vi löste dessa problem med lösningsbehandlade MXene-flingor."

I den nya studien, forskarna använde först MXene-flingor för att tillverka en transparent tunnfilmsvärmare. Under en applicerad 15 V, värmarens temperatur ökade med en hastighet av 8°C/sekund för att nå ett maximum av 120°C (248°F). Genom att sänka värmaren i flytande kväve i 5 minuter, forskarna visade att värmaren kunde fungera som en defroster, snabbt ta bort frosten på dess yta under 12 V. Som ett bevis på dess höga flexibilitet, värmaren kunde vikas i 90° vinkel utan att motståndet ökade, och fortsatte att fungera även när den var hopvikt, fast med större motstånd.

Forskarna visade också att MXene-flingorna kan användas för att göra uppvärmt tyg. Att göra så, forskarna behandlade kommersiella polymertrådar med en beläggning för att förbättra deras elektrostatiska interaktion med MXene-flingorna. Sedan doppade de trådarna i en vattenlösning innehållande MXene-flingor. Den elektrostatiska interaktionen mellan de positivt laddade trådarna och negativt laddade flingorna fick flingorna att självmontera på de enskilda fibrerna, gör de vita trådarna svarta i processen.

De MXene-belagda trådarna syddes sedan ihop med bomull för att göra uppvärmda kläder. Under en liten spänning, varje MXene-flake fungerade som en liten värmare. Genom att kontrollera spänningen, forskarna kunde gradvis höja temperaturen på kall hud tillbaka till normal kroppstemperatur utan att skada huden. I framtida ansökningar, de uppvärmda kläderna kan drivas av konventionella batterier eller alternativa strömkällor.

"Potentiellt, vår värmare kan drivas av energin som lagras i batterier och/eller superkondensatorer från en mängd nya förnybara energikällor, som bärbara solceller, triboelektriska energigeneratorer, och så vidare, " sa Park.

Forskarna förväntar sig att den robusta, flexibla uppvärmda kläder kan vara användbara för sjukvårdens termoterapi och övervakning, bland andra personliga applikationer.

"Eftersom MXene-flingorna vi utvecklade med lösningsprocessen är mycket ledande och optiskt transparenta, en mängd olika tillämpningar är möjliga, särskilt, kräver genomskinliga elektroder, ", sa Park. "Exempel inkluderar utvecklingen av mekaniskt flexibla och därmed bärbara organiska lysdiodskärmar, fotodetektorer, och genomskinliga berörings- och/eller trycksensorer."

© 2019 Science X Network