نجح الباحثون في دمج الدوائر الإلكترونية القابلة للغسل والمطاطية والقابلة للتنفس في النسيج، مما يفتح إمكانيات جديدة للمنسوجات الذكية والإلكترونيات القابلة للارتداء.
صُنعت الدوائر باستخدام أحبار رخيصة وآمنة وصديقة للبيئة، وطُبعت باستخدام تقنيات الطباعة التقليدية النافثة للحبر.
وقد أظهر الباحثون، من جامعة كامبريدج، بالتعاون مع زملاء لهم في إيطاليا والصين، كيف يمكن طباعة الجرافين – وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون – مباشرة على القماش لإنتاج دوائر إلكترونية متكاملة مريحة للارتداء ويمكن أن تتحمل ما يصل إلى 20 دورة في غسالة عادية.
وتعتمد الأجهزة الإلكترونية النسيجية الجديدة على الطباعة بنفث الحبر منخفضة التكلفة والمستدامة والقابلة للتطوير لأحبار تعتمد على الجرافين ومواد أخرى ثنائية الأبعاد، ويتم إنتاجها بتقنيات معالجة قياسية. نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications.
واستناداً إلى عمل سابق على صياغة أحبار الجرافين للإلكترونيات المطبوعة، صمم الفريق أحباراً منخفضة درجة الغليان تمت طباعتها مباشرة على نسيج البوليستر. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن تعديل خشونة النسيج أدى إلى تحسين أداء الأجهزة المطبوعة.
وقد سمحت تعددية استخدامات هذه العملية للباحثين بتصميم ليس فقط ترانزستورات مفردة بل دوائر إلكترونية متكاملة مطبوعة بالكامل تجمع بين المكونات النشطة والسلبية.
تعتمد معظم الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء المتوفرة حالياً على مكونات إلكترونية صلبة مثبتة على البلاستيك أو المطاط أو المنسوجات. وتوفر هذه الأجهزة توافقاً محدوداً مع الجلد في العديد من الظروف، وتتعرض للتلف عند غسلها وتكون غير مريحة عند ارتدائها لأنها غير قابلة للتنفس.
قال الدكتور فيليس توريسي من مركز كامبريدج للجرافين، كبير مؤلفي الورقة البحثية: “تتطلب الأحبار الأخرى للإلكترونيات المطبوعة عادةً مذيبات سامة وغير مناسبة للارتداء، في حين أن أحبارنا رخيصة وآمنة وصديقة للبيئة، ويمكن دمجها لإنشاء دوائر إلكترونية بمجرد طباعة مواد مختلفة ثنائية الأبعاد على القماش”.
قال البروفيسور رومان سوردان المؤلف المشارك من معهد بوليتكنيكو دي ميلانو: “كانت الطباعة الرقمية على المنسوجات موجودة منذ عقود لطباعة الملونات البسيطة على المنسوجات، ولكن النتيجة التي توصلنا إليها توضح لأول مرة أنه يمكن استخدام هذه التقنية أيضًا لطباعة الدوائر الإلكترونية المتكاملة بالكامل على المنسوجات”.
“على الرغم من أننا أظهرنا دوائر متكاملة بسيطة للغاية، إلا أن عمليتنا قابلة للتطوير ولا توجد عقبات أساسية أمام التطور التكنولوجي للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء سواء من حيث تعقيدها أو أدائها.”
قال طالب الدكتوراه تيان كاري، المؤلف الأول للورقة البحثية: “المكونات المطبوعة مرنة وقابلة للغسل وتتطلب طاقة منخفضة، وهي متطلبات أساسية للتطبيقات في الإلكترونيات القابلة للارتداء”.
يفتح هذا العمل عددًا من الفرص التجارية لأحبار المواد ثنائية الأبعاد، بدءًا من تكنولوجيا الصحة الشخصية والرفاهية، إلى حصاد الطاقة القابلة للارتداء وتخزينها، والملابس العسكرية، والحوسبة القابلة للارتداء والأزياء.
وقال توريسي: “يمكن أن يؤدي تحويل ألياف النسيج إلى مكونات إلكترونية وظيفية إلى فتح المجال أمام مجموعة جديدة تماماً من التطبيقات بدءاً من الرعاية الصحية والرفاهية وصولاً إلى إنترنت الأشياء”. “وبفضل تقنية النانو، يمكن أن تتضمن ملابسنا في المستقبل هذه الإلكترونيات القائمة على المنسوجات، مثل شاشات العرض أو أجهزة الاستشعار، وتصبح تفاعلية”.
إن استخدام أحبار الجرافين والمواد ثنائية الأبعاد الأخرى ذات الصلة (GRM) لإنشاء مكونات وأجهزة إلكترونية مدمجة في الأقمشة والمنسوجات المبتكرة هو محور التطورات التقنية الجديدة في صناعة المنسوجات الذكية.
كما تشارك الفرق في مركز كامبريدج للجرافين وبوليتكنيكو دي ميلانو في مشروع الجرافين الرائد، وهو مشروع أوروبي ممول من المفوضية الأوروبية مخصص لإدخال تقنيات الجرافين وآلية الجرافين في التطبيقات التجارية.
وقد تم دعم البحث بمنح من برنامج الجرافين الرائد، ومنحة التآزر من مجلس البحوث الأوروبي، ومجلس بحوث الهندسة والعلوم الفيزيائية، وصندوق نيوتن الاستئماني، والزمالة الدولية للبحوث من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، ووزارة العلوم والتكنولوجيا الصينية. ويجري تسويق هذه التقنية تجارياً من قبل مؤسسة كامبريدج إنتربرايز، ذراع الجامعة للتسويق التجاري.
مصدر القصة: المواد المقدمة من جامعة كامبريدج. القصة الأصلية مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي.