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石墨烯:为智能织物注入新活力!

近日,英国埃克塞特大学领导的国际科研团队率先开发出一种用于制造完全电子化的纤维的新技术,这种石墨烯纤维可以融入到日常服装生产中去。

背景

石墨烯,是一种性能卓越的特殊二维材料,享有“新材料之王”的美誉。单层碳原子组成的蜂窝状结构,赋予了石墨烯“卓越”的性能。石墨烯的厚度仅为人类发丝直径的百万分之一,而强度却胜过钢铁百倍,导电性能优于铜,这些特性都非常适合电子器件。此外,石墨烯还具有很好的柔性。研究表明,经拉伸后,石墨烯的长度可变为原始长度的120%。

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:曼彻斯特大学)

由于良好的电子特性、光学透明性以及与生俱来的柔性,石墨烯有望应用于一些列的柔性电子产品,例如:

石墨烯:为智能织物注入新活力!

能打印到织物中的石墨烯柔性超级电容(图片来源:曼彻斯特大学)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

可检测并治疗糖尿病的石墨烯腕带(图片来源:Hui Won Yun, 首尔大学)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

由石墨烯材料制成的柔性NFC天线(图片来源: Graphene Flagship)

未来,石墨烯电子设备将带来全新的智能可穿戴设备以及物联网应用。

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:Graphene Flagship)

这些产品的例子有:经过弯曲佩戴在手腕上的智能手机、像报纸一样卷起来的计算机、随时响应环境变化的智能衣服等。

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:曼彻斯特大学)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:曼彻斯特大学)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:曼彻斯特大学)

创新

同样,在近来比较热门前沿科技领域:“智能织物”中,石墨烯这一“神奇材料”也势必会起到非常重要的作用,创造出更低成本、更持久耐用、更容易量产的智能织物产品。

近日,英国埃克塞特大学(University of Exeter)工程系教授 Monica Craciun 领导的国际科研团队率先开发出一种用于制造完全电子化的纤维的新技术,这种纤维可以融入到日常服装生产中去。

石墨烯:为智能织物注入新活力!

(图片来源:Craciun 教授实验室)

这个国际合作研究团队包含来自英国埃克塞特大学、葡萄牙阿威罗大学和里斯本大学、比利时纺织研究中心(CenTexBel )的专家们,相关论文发表在科学期刊《柔性电子(Flexible Electronics)》上。

2015年,包括来自埃克塞特大学的Craciun 教授、Russo 教授、Ana Neves 博士在内的国际科学家团队曾率先开发出一项新技术,将透明、柔性的石墨烯电极嵌入到纺织工业常用的纤维中。

技术

目前,可穿戴电子设备基本上是通过将电子器件胶合到织物上来实现的,这意味着它们非常僵硬而且容易出现故障。

新研究取代了传统方法,将电子器件集成到面料中去,通过将轻量、耐用的元件涂在电子化的纤维上,这些元件将在织物上直接展示图像。

这项研究采用现有的聚丙烯纤维(它通常用于纺织工业中的许多商业应用)来粘贴基于石墨烯的新型电子纤维,从而创造出触摸传感器和发光设备。

石墨烯:为智能织物注入新活力!

位于织物纤维上的石墨烯基设备。聚丙烯织物纤维图片;通过兼容卷对卷制造技术 与传统光刻和腐蚀工艺 的光刻工艺一步一步制造触摸感应设备的原理图。弯曲的触摸传感器的扫描电子显微镜图像展示在 d 中,绿色高亮的石墨烯电极之间存在空隙。发光设备的原理图与图像展示在  e 中。触摸传感器的图像展示在 f 中。(图片来源:参考资料【2】)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

触摸传感器:a 采用卷对卷工艺 (R2R)制造的具有单层石墨烯(SLG)、几层石墨烯(FLG)、以及采用液体剥离刀切与兼容R2R的方法所获取的经溶液处理的石墨烯(LEG)薄膜的传感器照片。采用标准图刻的LEG传感器也展示在其中。有触摸和无触摸的情况下,阻抗响应示意图。触摸情况下,平面FLG器件的阻抗随时间产生的变化。反复触摸情况下,平面FLG器件阻抗随时间产生的变化。反复弯曲情况下,平面FLG器件的阻抗随时间产生的变化。用兼容R2R的方法与反应离子刻蚀(RIE)技术为LEG刻画图案的触摸传感器之间的性能差异。g 位置敏感阵列的照片与原理图。h 位置敏感阵列随着触摸与时间变化而产生的电压降。在触摸情况下,位置敏感阵列“时间分辨”的升落次数。cdefh中的不同开/关间隔,取决于用户手指触摸设备的力度与持续时间。(图片来源:参考资料【2】)

石墨烯:为智能织物注入新活力!

位于织物纤维上的 ACEL 器件:a ACEL发光强度与偏压之间的关系,遵从Alfrey–Taylor关联,ACEL 亮度 (L) 与 电压 (V)的关系为: L = L0 exp(−b/V)1/2, 其中 L0 与 b 为经验常数,具有良好的一致性(R2 = 0.9982)。在弯曲 b 与扭曲 c 情况下的设备图片。发光情况随着 弯曲半径与相关的纤维应变而变化;反复弯曲的循环次数;f 反复扭曲的循环次数;两种方法中,ACEL阵列以及在明暗条件下的照片:g 大像素(比例尺:左5毫米;右20毫米)和 h 小像素(比例尺:顶10毫米;底1毫米)(图片来源:参考资料【2】)

价值

研究团队相信,这一发现将彻底变革可穿戴电子设备的制造。这些可穿戴电子设备不但适合一系列日常应用,还可用于健康监测(例如心率、血压)以及医疗诊断。

研究的共同作者 Craciun 教授表示:“对于实现真正的可穿戴电子器件来说,能将元件融合到材料中,而不是简单地添加到其中,显得至关重要。”

石墨烯公司 Graphenea 的研究科学家、埃克塞特大学 Craciun 教授团队的前博士生 Elias Torres Alonso 博士补充道:“这项新研究为不久的将来智能织物在许多领域中扮演关键作用打开了大门。通过将石墨烯纤维编织到织物中,我们创造出一种全新技术,将电子器件完全集成到织物中。从现在起,唯一限制我们的就是我们自己的想象力。”

这项新技术意味着织物能含有真正的可穿戴显示器,而无需额外材料,例如电极、电线。

埃克塞特大学物理系教授、论文合著者 Saverio Russo 表示:“在织物中融合电子器件,是科学家们许多年来一直在尝试的,也是现代技术中一项真正改变游戏规则的进展。”

来自埃克塞特大学工程系的论文合著者 Ana Neves 博士补充道:“这项新技术的关键是,织物纤维是柔性、舒适和轻量的,同时足够耐用,能满足现代生活的需求。”

关键字

智能织物、柔性电子、可穿戴技术、传感器、石墨烯

参考资料

【1】http://www.exeter.ac.uk/news/featurednews/title_695317_en.html

【2】Elias Torres Alonso, Daniela P. Rodrigues, Mukond Khetani, Dong-Wook Shin, Adolfo De Sanctis, Hugo Joulie, Isabel de Schrijver, Anna Baldycheva, Helena Alves, Ana I. S. Neves, Saverio Russo, Monica F. Craciun. Graphene electronic fibres with touch-sensing and light-emitting functionalities for smart textiles. npj Flexible Electronics, 2018; 2 (1) DOI: 10.1038/s41528-018-0040-2

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