Умная одежда: устройство модуляции температуры на основе графена
У природы нет плохой погоды, как поется в знаменитой песне из кинофильма «Служебный роман». Однако далеко не все готовы согласиться с этим утверждением. Кому-то нравится холод, кто-то предпочитает жару, кому-то все равно. Я же отношусь к тем людям, которые будут жаловаться и на жару, и на холод, нам подавай комфортные +20 °C. К сожалению, не всегда и не у всех любителей нейтрального климата есть возможность жить в регионах, где он есть. Сейчас лето в самом разгаре, удушающая жара лишь изредка прерывается кратковременными грозами, которые не особо помогают. Если природа не готова идти нам навстречу, значит стоит делать что-то самим. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Манчестерского университета (Великобритания) разработали умную адаптивную ткань, способную снижать температуру тела человека ее носящего в жаркие дни. Что легло в основу умной ткани, как протекал процесс разработки, и какие дополнительные свойства и варианты применения имеются у этого изобретения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Прежде, чем рассказать нам о своем творении, ученые отмечают, что прогресс в области пользовательской электроники за последние годы идет семимильными шагами. Буквально каждый день появляется что-то новенькое и необычное. Тем не менее, существует ряд ограничений, которые мешают тем или иным разработкам перейти от стадии лабораторных тестов к стадии массового производства. В аспекте производства умных тканей основной проблемой является сложность интеграции электронных / оптических материалов внутрь волокон ткани. Самый простой вариант в носимой электронике это создание отдельных гаджетов (браслеты, часы и т.д.), которые не требуют внедрения в другую систему (в данном случае, ткань), но спектр возможностей этих устройств будет ограничен.
По словам ученых, чтобы достичь вразумительных результатов в сопряжении электроники и ткани, необходимо либо изменить технологию производства ткани, либо использовать нестандартные материалы для электронной части носимого устройства.
Одним из таких материалов является двумерный графен. Однако в предыдущих попытках его использовать ученые полагались больше на его электропроводность. В данном же труде было сделано ударение на оптическую составляющую, т.е. была предложена идея использовать графен в качестве оптической платформы.
Тепловое излучение от многослойного графена может модулироваться электрически через интеркалирование* ионов.
Интеркаляция* — обратимое внедрение молекулы или группы молекул между другими молекулами или группами молекул.
В данном исследовании ученые представляют нашему вниманию технологию оптического текстиля, основанную на интеграции в текстиль динамических инфракрасных устройств на базе электрически перестраиваемого графена, образованного методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ).
Результаты исследования
Устройства состоят из объединенных слоев инфракрасно прозрачного полимерного слоя, многослойного графена, выращенного с использованием метода ХОПФ, слоя тканевого разделителя и проводящей ткани (схема устройства на 1а).
Изображение №1
Изготовление начинается с выращивания многослойных графеновых пленок на никелевой фольге. Тонкая полиэфирная (PE) пленка, которая функционирует как прозрачный для инфракрасного излучения защитный слой, ламинируется на многослойный графен перед травлением Ni-фольги. Графен на полиэфирном листе прикрепляется к ткани с помощью термоплавкого клея.
Одним из важных моментов данной разработки является удобство использования и практичность, потому необходимо было удостовериться в хорошей адгезии между графеном и подложкой (тканью). Это было сделано посредством нескольких циклов стирки и посредством испытаний на механическое сжатие.
Далее на задний электрод (проводящая ткань) был нанесен ионный жидкий электролит (BMIMPF6), который впоследствии диффундировал в текстильную подложку. Текстиль действует как разделитель и ионопроводящий слой, обеспечивая ионное движение, когда разность напряжений приложена к графену и заднему электроду.
На 1b показаны примеры изготовленных устройств на натуральных (хлопок) и синтетических текстильных материалах (полиэфир).
Электрохимическая стабильность заднего электрода играет решающую роль в долговременной стабильности устройства. В качестве основы для заднего электрода тестировались разные материалы: проводящий текстиль на основе серебра, сетка из нержавеющей стали, золотое напыление, графен и восстановленный оксид графена.
Массив задних электродов и проводку на текстиле изготовили с помощью фотолитографии с последующей металлизацией и процессом отрыва*.
Отрыв* — в технологии микроструктурирования представляет собой способ создания структур целевого материала на поверхности подложки с использованием «жертвенного» материала (например, фоторезиста).
Полученные пиксельные электроды позволяют определять динамические инфракрасные структуры на непрерывном графеновом слое с помощью выборочной интеркаляции.
Принцип работы устройств основан на обратимой интеркаляции ионов в графеновые слои и модулировании его электрических и оптических свойств. При 0 В многослойный графен имеет высокое инфракрасное поглощение, что приводит к высокой излучательной способности, раскрывая фактическую температуру устройства (2а).
Изображение №2
При подаче достаточной разности напряжений (> 2.5 В) ионная жидкость интеркалирует в слои графена, увеличивая оптическую проводимость и подавляя излучательную способность, тем самым скрывая фактическую температуру устройства. Термографы устройства записывались с помощью длинноволновой инфракрасной камеры, которая визуализирует изображения по закону Стефана-Больцмана:
P = εσT4
где P — количество падающего теплового излучения на матрице болометров*; ε — излучательная способность поверхности; σ — постоянная Стефана-Больцмана; T — температура поверхности в Кельвинах.
Болометр* — тепловой приемник излучения (преобразует энергию поглощенного электромагнитного излучения в тепловую).
Текстильные устройства находясь непосредственно в тепловом контакте с источниками тепла, такими как тело человека, для предотвращения ложного экранирования температуры источника. Кроме того, графен функционирует как слой с высокой теплопроводностью, который удваивает температуропроводность в плоскости текстиля, улучшая теплопроводность от источника к поверхности.
Временной отклик устройств был получен путем записи видео тепловизором, чтобы получить изменение видимой температуры поверхности (2b).
Динамическое изменение инфракрасного излучения на хлопковом устройстве.
Полная интеркаляция (подавление излучательной способности) занимает ~5 с, когда ток устройства не ограничен. Стоит отметить, что эти измерения проводились в лабораторных условиях (21 °C), ограничивающих минимальную кажущуюся температуру.
Устройства могут многократно циклически переключаться между состояниями с высокой и низкой излучательной способностью (2c), однако превышение электрохимического окна электролита ухудшает рабочие характеристики устройства.
Модуляция излучательной способности определялась количественно с помощью измерений отражения в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах с использованием инфракрасного Фурье-спектрометр (FTIR), оборудованного интегрирующей сферой. При 0 В коэффициент отражения внутреннего устройства почти плоский (2d) и составляет около 30%, за исключением поглощения в верхней полиэфирной пленке на длинах волн ~3.4, ~6.8, ~13.9 мкм и поглощения в атмосфере (например, CO2, H2O).
Демонстрация работы адаптивного инфракрасного текстильного устройства.
В диапазоне спектральной чувствительности тепловой камеры (8–13 мкм) такие поглощения минимизируются благодаря тщательному выбору верхней защитной пленки. Коэффициент излучения (или коэффициент поглощения) рассчитывается как 1 — R, где R — коэффициент отражения, поскольку свет не проходит через устройство. По мере того, как ионы интеркалируют графеновые слои, энергия Ферми и оптическая проводимость графена увеличиваются, тем самым увеличивая коэффициент отражения инфракрасного излучения.
Средняя излучательная способность устройства в диапазоне длин волн 8–13 мкм достаточно высока (± 0.7) для 0 В и поддерживается в таком значении до порогового напряжения (± 2.5 В) с последующим резким падением до ± 0.35 при > 4 В (2е), что отлично согласуется с термограммами на 2а.
Модуляция излучательной способности охватывает как длинноволновый инфракрасный (8–13 мкм), так и средневолновый инфракрасный (MWIR, 3–5 мкм) диапазон. В MWIR, тем не менее, полиэфирная пленка демонстрирует значительное поглощение из-за режима растяжения C-H связей, который не зависит от приложенного напряжения, ограничивая диапазон модуляции излучательной способности до 0.7–0.5 (2e). Из этого следует, что любые устройства, работающие в этом диапазоне длин волн, нуждаются в нестандартном защитном слое.
Другим эффектом полиэфирного слоя является повышенная излучательная способность поверхности благодаря термической экстракции полиэфиром, у которого показатель преломления больше, чем у воздуха.
Также наблюдалась модуляция излучательной способности (0.2–0.4) и в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR, 0.9–1.7 мкм). А вот модуляция в видимом спектре была незначительной из-за недостаточного легирования графена.
Улучшить модуляцию в SWIR и видимом диапазоне возможно за счет использования ионной жидкости с большим электрохимическим окном, которая будет совместима с текстилем.
Учитывая, что ткань должна быть растяжимой и гибкой, используемые графеновые элементы должны действовать соответственно. Однако многослойный графен не растягивается и не гнется ввиду механического воздействия. Потому в разработке была использована нестандартная изогнутая конструкция графена, что обеспечило уровень деформации до 60%.
Изображение №3
Решить все проблемы с гибкостью и механическим напряжением можно за счет использования массивов электродов, в не единого элемента. На 3а показан пример такого варианта конфигурации с массивом из 25 индивидуально адресуемых электродов и датчиком термобатареи. В качестве активного слоя использовался большой цельный лист многослойного графена на хлопчатобумажной ткани (3b). Каждый электрод контролирует излучательную способность площадью 2×2 см. Внешняя электронная схема была запрограммирована реагировать на тепловую сигнатуру от датчика. Графики 3c и 3d показывают сигналы датчика и кажущуюся температуру активного пикселя (область контроля 2×2).
Мультипиксельное текстильное устройство отображает буквы «C» или «H» (обозначающие cold и hot), настраивая излучательную способность соответствующих пикселей, реагирующих на наличие/отсутствие горячего объекта над датчиком. На 3e показаны тепловые изображения работы устройства при взаимодействии с рукой человека.
Далее ученые провели фактическое практическое испытание устройства, внедренного в обычную футболку. Из-за естественной температуры тела, в условиях окружающей среды, человеческое тело излучает около 100 Вт инфракрасного света в основном в LWIR диапазоне. Этот спектральный диапазон также совпадает с окном атмосферного пропускания, которое позволяет распространять излучаемый LWIR свет на большие расстояния.
Устройство для футболки было изготовлено путем ламинирования пленки графен/полиэфир размером 6×6 см непосредственно на поверхности футболки из 100% хлопка и сеткой из нержавеющей стали на обратной стороне (4а).
Изображение №4
Для передачи закодированного сигнала был использован микроконтроллер, который был запрограммирован передавать буквы «N», «G» и «I» азбукой Морзе. Тире и точки создавались путем подавления кажущейся температуры на длительное (9 с) и короткое (3 с) время.
На 4b и 4с показаны инфракрасные снимки футболки в состояниях с высокой и низкой излучательной способностью, а шкала справа показывает зарегистрированную с расстояния в 3 м кажущуюся температуру.
Использование микроконтроллера позволяет строить более сложные схемы на текстиле, что, в свою очередь, обеспечивает более безопасные протоколы связи, например, инициирование связи при получении внешних запускающих стимулов. А человеческое тело в данной конфигурации может служить источником энергии.
В данном опыте скорость связи с использованием одной заплатки ограничена процессом интеркаляции/деинтеркаляции, который масштабируется в зависимости от площади устройства.
Передача букв «N», «G» и «I» азбукой Морзе.
Ученые заявляют, что использование небольших электрических сигналов для модуляции инфракрасной излучательной способности является значительным преимуществом по сравнению с альтернативами, поскольку оно обеспечивает адаптивный отклик, что необходимо для применения в динамическом тепловом камуфляже и управлении тепловым режимом.
Увеличение отражающей способности полиэфирного устройства в ближнем инфракрасном диапазоне.
Разработанное устройство требует низкого напряжения (~ 3 В) и совсем немного энергии (5.5×10–4 мАч/см2 на одно событие интеркаляции, что соответствует плотности заряда ~ 1014 см-2 для каждого слоя графена). Следовательно, обычная дисковая батарейка на 1000 мАч может активировать устройство размером с футболку (1 м2) около 180 раз. Кроме того, энергия потребляется исключительно во время цикла зарядки (интеркаляции). А средняя мощность в режиме ожидания практически равна нулю, что позволяет значительно продлить использования одного устройства без замены внешнего источника питания. Это, конечно, если не рассматривать идею с использованием человека в качестве источника энергии.
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Мода переменчива, как и погода. А вот наука, хоть иногда и кажется хаотичной, но все же следует одним и тем же естественным законам.
В данном труде ученые использовали оптические свойства графена в своей разработке — графенового адаптивного оптического текстиля. Это устройство позволяет не только модулировать его температуру, но и дает возможность лучше понять термические и механические свойства графена. Успешная демонстрация модуляции оптических свойств на различных типах текстиля может дать толчок более широкому использованию волокнистых архитектур. Спектр применения подобных технологий не ограничивается элементами гардероба, она может быть крайне полезна и в технологиях связи, и даже в адаптивных скафандрах.
Сами же ученые намерены шагнуть еще дальше. В дальнейшем они планируют использовать свою разработку в спутниках на околоземной орбите. Спутники, как никто другой, испытывают экстремальные перепады температуры: в тени Земли они замерзают, а обращаясь к Солнцу — очень нагреваются. Использование данной технологии в теории позволяет получить контроль над тепловым излучением, следовательно, и над температурой самого спутника. От обычной футболки к спутникам на орбите — остается лишь надеяться, что амбиции ученых будут подкреплены успешными результатами их дальнейших исследований.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
