Tänk dig en tröja som driver elektronik som övervakar din hälsa eller laddar din mobil när du springer. Utvecklingen hindras av att det saknas material som både leder ström stabilt och passar bra för textilier. Nu har en Chalmersledd forskargrupp kunnat visa att en vanlig silkestråd, belagd med ett ledande plastmaterial, har lovande egenskaper för att förvandla textilier till elektriska generatorer.
I så kallade termoelektriska textilier omvandlas temperaturskillnader, mellan till exempel våra kroppar och den omgivande luften, till elektrisk ström. Tekniken kan göra stor nytta i våra vardagsliv och i samhället. Kopplade till en sensor kan textilierna driva elektronik som integreras i tyg utan att det behövs batterier, sladdar eller annan teknik för att ladda den. Det kan exempelvis handla om att mäta våra rörelser eller kroppsfunktioner som hjärtslag.
Eftersom textilierna ska bäras nära kroppen måste materialen som används i dem klara höga krav på säkerhet och flexibilitet. Den silkestråd som forskarna testat har en beläggning av så kallad ledande polymer. Det är ett plastmaterial med en kemisk struktur som gör materialet elektriskt ledande och väl anpassat för textilier.
– Polymererna som vi använder är böjbara, sträckbara, väger inte mycket och är lätta att använda eftersom de fungerar i både flytande och fast form. De är dessutom giftfria, säger Mariavittoria Craighero, som är doktorand på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers, och huvudförfattare till den nyligen publicerade studien.
Förbättrad stabilitet och elektrisk ledningsförmåga
Metoden för att göra den elektriskt ledande tråden har använts i tidigare studier inom samma forskningsprojekt. Tidigare behövde dock tråden även innehålla metall för att bibehålla sin stabilitet i kontakt med luft. Sedan dess har framsteg gjorts för att den ska kunna tillverkas av enbart organiska (kolbaserade) polymerer. I den aktuella studien har forskarna utvecklat en ny typ av tråd som har bättre elektriskt ledande egenskaper och högre stabilitet.
– Vi hittade pusselbiten som saknades i vår tråd – en typ av polymer som nyligen upptäckts. Den har en enastående stabilitet i kontakt med luft, samtidigt som den har en mycket bra förmåga att leda elektricitet. Genom att använda polymerer behöver vi inte några sällsynta jordartsmetaller, som annars är vanliga i elektronik, säger Mariavittoria Craighero.
För att visa hur den nya tråden kan användas i praktiken tillverkade forskarna två termoelektriska generatorer – en knapp som syddes fast med tråden, och en textilbit med insydda trådar. När de placerade de termoelektriska textilierna mellan en varm och en kall yta kunde de se hur mycket spänningen på mätinstrumentet gick upp. Effekten berodde på hur stor temperaturskillnaden var och mängden ledande material som textilierna bestod av. Som ett exempel visade den större textilbiten cirka 6 millivolt vid en temperaturskillnad på 30 grader. I kombination med en spänningsomvandlare skulle det rent teoretiskt kunna fungera för en USB-port som laddar bärbar elektronik.
Forskarna har också kunnat visa att materialets funktioner kan bibehållas i minst ett år. Det tål dessutom maskintvätt.
– Efter sju tvättar hade tråden kvar två tredjedelar av sin elektriskt ledande funktion. Det är ett mycket gott resultat, även om det behöver förbättras betydligt innan det blir kommersiellt intressant, säger Mariavittoria Craighero.
Material som uppfyller kraven för elektriska textilier
Det termoelektriska tyget och knappen kan idag inte produceras på ett effektivt sätt utanför labbmiljön. Materialet måste tillverkas och sys in för hand, vilket är tidskrävande. Bara att sy in det i tyget krävde fyra dagars handarbete. Men forskarna ser att den nya tråden har stor potential och att det är fullt möjligt att utveckla en automatiserad process och skala upp.
– Vi har nu visat att det går att tillverka ledande organiska material som kan möta funktionerna och egenskaperna som de här textilierna kräver. Det är ett viktigt framsteg och det ryms fantastiska möjligheter i termoelektriska textilier. Vi ser att den här forskningen kan bidra med mycket nytta i samhället, säger Christian Müller som är professor på institutionen för kemi och kemiteknik på Chalmers och forskningsledare för studien.
Mer om studien
Den vetenskapliga artikeln Poly(benzodifurandione) Coated Silk Yarn for Thermoelectric Textiles har publicerats i Advanced Science. Författarna är Mariavittoria Craighero, Qifan Li, Zijin Zeng, Chunghyeon Choi, Youngseok Kim, Hyungsub Yoon, Tiefeng Liu, Przemyslaw Sowinski, Shuichi Haraguchi, Byungil Hwang, Besira Mihiretie, Simone Fabiano och Christian Müller. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Linköpings universitet och Chung-Ang University i Seoul, Sydkorea. Forskningen har finansierats av EU:s forsknings- och innvovationsprogram Horisont 2020, genom Marie Skłodowska-Curie projektet HORATES, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Europeiska forskningsrådet (ERC), Vetenskapsrådet och Linköpings universitet.
Mer om forskningsfältet
Intresset för organisk elektronik med ledande polymerer har vuxit mycket under de senaste åren. Ledande polymerer har en kemisk struktur som ger dem goda egenskaper att leda elektricitet och fysiska egenskaper som liknar kisel och samtidigt plastmaterial, vilket gör dem flexibla. Forskning på den här typen av polymerer som elektriskt ledande material pågår inom många områden såsom solceller, Internet of Things (IoT), augmented reality, AR, (förstärkt verklighet), robotik och olika sorters bärbar elektronik. Utöver forskargruppen bakom den aktuella studien finns ytterligare två forskargrupper inom forskningsfältet på samma avdelning på Chalmers.
