Tutkijat ovat onnistuneet sisällyttämään kankaaseen pestäviä, venyviä ja hengittäviä elektronisia piirejä, mikä avaa uusia mahdollisuuksia älykkäille tekstiileille ja puettaville elektroniikkalaitteille.
Piirit valmistettiin halvoilla, turvallisilla ja ympäristöystävällisillä musteilla, ja ne tulostettiin tavanomaisella mustesuihkutulostustekniikalla.
Cambridgen yliopiston tutkijat ovat yhdessä italialaisten ja kiinalaisten kollegojensa kanssa osoittaneet, miten grafeenia – hiilen kaksiulotteista muotoa – voidaan tulostaa suoraan kankaalle, jotta voidaan valmistaa integroituja elektronisia piirejä, joita on mukava käyttää ja jotka kestävät jopa 20 pesukertaa tavallisessa pesukoneessa.
Uudet tekstiilielektroniikkalaitteet perustuvat edulliseen, kestävään ja skaalautuvaan mustesuihkutulostukseen grafeeniin ja muihin kaksiulotteisiin materiaaleihin perustuvilla musteilla, ja ne valmistetaan tavanomaisilla käsittelytekniikoilla. Tulokset julkaistaan Nature Communications-lehdessä.
Perustuen aiempaan työhön grafeenimusteiden formuloinnista painettua elektroniikkaa varten ryhmä suunnitteli matalan kiehumispisteen musteet, jotka painettiin suoraan polyesterikankaalle. Lisäksi he havaitsivat, että kankaan karheuden muokkaaminen paransi tulostettujen laitteiden suorituskykyä.
Prosessin monipuolisuuden ansiosta tutkijat pystyivät suunnittelemaan paitsi yksittäisiä transistoreja myös aktiivisia ja passiivisia komponentteja yhdistäviä integroituja elektronisia piirejä.
Useimmat tällä hetkellä saatavilla olevat puettavat elektroniikkalaitteet perustuvat jäykkiin elektronisiin komponentteihin, jotka on kiinnitetty muoviin, kumiin tai tekstiileihin. Nämä ovat monissa olosuhteissa vain rajoitetusti yhteensopivia ihon kanssa, vahingoittuvat pestessä ja ovat epämiellyttäviä käyttää, koska ne eivät ole hengittäviä.
”Muut painettuun elektroniikkaan käytettävät painovärit vaativat yleensä myrkyllisiä liuottimia, eivätkä ne sovellu käytettäviksi, kun taas meidän painovärimme ovat halpoja, turvallisia ja ympäristöystävällisiä, ja niitä voidaan yhdistellä elektronisten piirien luomiseksi yksinkertaisesti painamalla kankaalle erilaisia kaksiulotteisia materiaaleja”, sanoo tohtori Felice Torrisi Cambridgen grafeenikeskuksesta, joka on tutkimuksen vanhempi kirjoittaja.
”Digitaalista tekstiilitulostusta on käytetty jo vuosikymmeniä yksinkertaisten väriaineiden tulostamiseen tekstiileihin, mutta tuloksemme osoittaa ensimmäistä kertaa, että tällaista tekniikkaa voidaan käyttää myös kokonaisten elektronisten integroitujen piirien tulostamiseen tekstiileihin”, sanoo toinen kirjoittaja, professori Roman Sordan Politecnico di Milanosta.
”Vaikka demonstroimme hyvin yksinkertaisia integroituja piirejä, prosessimme on skaalautuva, eikä puettavien elektroniikkalaitteiden teknologiselle kehitykselle ole perustavanlaatuisia esteitä niiden monimutkaisuuden ja suorituskyvyn suhteen.”
”Painetut komponentit ovat joustavia, pestäviä ja vaativat vähän virtaa, mikä on olennainen edellytys puettavan elektroniikan sovelluksille”, sanoo väitöskirjan ensimmäinen kirjoittaja, tohtoriopiskelija Tian Carey.
Työ avaa kaksiulotteisille materiaalimusteille useita kaupallisia mahdollisuuksia, jotka ulottuvat henkilökohtaisesta terveys- ja hyvinvointiteknologiasta puettavaan energian keräämiseen ja varastointiin, sotilasvaatteisiin, puettavaan tietotekniikkaan ja muotiin.
”Tekstiilikuitujen muuttaminen toimiviksi elektroniikkakomponenteiksi voi avata täysin uusia sovelluksia terveydenhuollosta ja hyvinvoinnista esineiden internetiin”, Torrisi sanoi. ”Nanoteknologian ansiosta vaatteisiimme voidaan tulevaisuudessa sisällyttää tekstiilipohjaista elektroniikkaa, kuten näyttöjä tai antureita, ja niistä voi tulla vuorovaikutteisia.”
Grafeenin ja muiden vastaavien 2D-materiaalien (GRM) musteiden käyttö kankaisiin ja innovatiivisiin tekstiileihin integroitujen elektronisten komponenttien ja laitteiden luomiseksi on älykkään tekstiiliteollisuuden uusien teknisten edistysaskeleiden keskiössä.
Cambridgen grafeenikeskuksen ja Politecnico di Milanon tiimit osallistuvat myös grafeenin lippulaivahankkeeseen, joka on EY:n rahoittama yleiseurooppalainen hanke, jonka tavoitteena on tuoda grafeeni- ja GRM-teknologioita kaupallisiin sovelluksiin.
Tutkimusta on tuettu grafeenin lippulaivaohjelman, Euroopan tutkimusneuvoston synergia-avustuksen, The Engineering and Physical Science Research Councilin, The Newton Trustin, Kiinan kansallisen luonnontieteellisen säätiön kansainvälisen tutkimusapurahan ja Kiinan tiede- ja teknologiaministeriön apurahoilla. Teknologiaa kaupallistaa Cambridge Enterprise, joka on yliopiston kaupallistamisyksikkö.
Jutun lähde: Materiaalit toimittanut Cambridgen yliopisto. Alkuperäinen tarina on lisensoitu Creative Commons -lisenssillä.