Метод создания графеновой ткани адаптировали для массового производства
Ученые разработали метод создания электропроводных тканей с восстановленным оксидом графена, пригодный для массового производства. Предполагается, что технология позволит производить около 150 метров ткани в минуту, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano.
Ученые уже много лет пытаются создавать устройства и материалы на основе графена. Но, как правило, они получаются дорогими и слабо приспособленными к реальному применению из-за того, что для их производства применяются сложные многоступенчатые методы.
Исследователи под руководством нобелевского лауреата Константина Новоселова научились создавать электропроводные ткани с восстановленным оксидом графена простым и масштабируемым методом. Для начала с помощью часто применяемого метода Хаммерса создается оксид графена. Затем он восстанавливается под действием дитионита натрия до восстановленного оксида графена, который имеет аналогичную графену структуру, но отличатся от него наличием дефектов и невосстановленных участков.
Поскольку обычно восстановленный оксид графена из-за своей гидрофобности в водных растворах стремится к агрегации в большие частицы, ученые стабилизировали его, присоединив полистеренсульфонат. В результате авторы получили коллоидный раствор плоских частиц восстановленного оксида графена со средней толщиной 2,2 нанометра и шириной 4,86 микрометров.
Для нанесения таких частиц на ткань ученые использовали широко распространенный в текстильной промышленности метод. Ткань пропускается через емкость с раствором материала для нанесения, а затем высушивается в специальной установке, причем весь процесс происходит на конвейере и непрерывно для всей длины полотна.
Исследователи проверили нанесение раствора частиц на хлопковую ткань. Они пропитывали ее в течение нескольких секунд, а затем высушивали при 100 градусах Цельсия в течение пяти минут. После этого они исследовали ткань с помощью сканирующего электронного микроскопа и выяснили, что после нанесения частицы равномерно оседают на волокна ткани. Также авторы протестировали износостойкость такой ткани. Оказалось, что ее электропроводность падает после мытья или сильных сгибаний, но не до нуля, а постепенно, по мере увеличения количества таких процедур.
Исследователи предложили использовать проводимость такой ткани для создания носимых сенсоров, и продемонстрировали, как изменяется ее сопротивление при сгибании руки с закрепленным на ней фрагментом ткани. Они считают, что при использовании промышленного оборудования один станок сможет производить до 150 метров такой ткани в минуту.
Недавно исследователи создали нити для «умной одежды» на основе другой аллотропной модификации углерода — нанотрубок. Особенность таких нитей заключается в том, что при растяжении они вырабатывают электрический ток. Исследователи продемонстрировали светодиод, который работает от растяжения всего одной нити.
Григорий Копиев
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.