研究者がグラフェンを開発

四川大学、中国科学院、ジョージア工科大学の研究者は、体の動きを利用可能な電気に変換し、そのエネルギーを貯蔵することもできるグラフェンベースのウェアラブル繊維を開発した。 このファブリックは、医療モニタリングから、アスリートやコーチのパフォーマンス追跡支援、さらには衣服上のスマートディスプレイまで、幅広い用途に使用できる可能性があります。

現在のウェアラブル電子デバイスやさまざまな利用可能な健康モニターの精度は、それらを配置できる身体上またはその近くの場所が限られており、アプリケーションの少数の選択に制限されているため、依然として制限されています。 将来、高度な生地が開発できれば、シャツ、パンツ、下着、帽子に組み込まれたウェアラブル電子デバイスは、虚弱の指標を追跡して加齢関連疾患のリスクを評価したり、コルチゾールレベルを監視してストレスレベルを追跡したり、さらには世界的なパンデミック監視ネットワークの一環として病原体を検出します。 ウェアラブルエレクトロニクスを次のレベルに引き上げるには、軽量で目立たず、かさばらない方法でモニターをテキスタイルに統合する必要があります。

既存のウェアラブルエレクトロニクスの課題の 1 つは、デバイスにエネルギーを供給するコンポーネントの柔軟性、つまりウェアラビリティの制限に起因しています。 さらに、エネルギー供給ユニットはデバイスと簡単に統合でき、環境意識が高まる時代においては持続可能である必要があります。 これらすべてに加えて、既存のエネルギー貯蔵技術の容量は非常に限られています。 バッテリーとスーパーキャパシタはエネルギーを蓄えることができますが、外部電源がなければエネルギーを自発的に生成することはできません。

「バッテリーは装着感もあまり快適ではありません」と、論文の筆頭著者であり、中国科学院北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所のナノシステム専門家であるフェイファン・シェン氏は述べた。 「したがって、ウェアラブルで自己充電可能な電源の開発が重要です。」

科学者チームは、特定の材料が別の異なる材料と摩擦接触した後に帯電する摩擦電気効果を利用した、柔軟で編むことができ、着用可能な構造である「ファイバー TENG」と呼ばれるものを作成しました。 たとえば、一般的な静電気には、摩擦電気効果による接触誘起の帯電が含まれます。

繊維 TENG は、ポリ乳酸層 (3D プリンティングで一般的に使用されるポリエステルの一種)、還元酸化グラフェン層 (非常に手頃な価格のグラフェンの一種)、ポリピロール層 (3D プリンティングですでに広く使用されているポリマー) の 3 層で構成されています。エレクトロニクスと医療）。

繊維 TENG が、その繊維で編まれた衣服を着ている人による曲げや伸びなどの機械的変形を受けると、ポリ乳酸層と還元された酸化グラフェン層の間の接触によって発生した摩擦電荷が、ポリピロール層。 このプロセスにより、発電ユニットとして使用できる電気出力が生成されます。

ファイバー TENG 開発の鍵となったのは、繊維に統合されたエネルギー貯蔵施設である同軸ファイバー状スーパーキャパシター (ファイバー SC) に使用する酸化グラフェン ファイバーを調製するために使用される新しいプロセスでした。 同軸構造により、曲げたりひねったりした際の安定性に優れています。

このプロセスには、還元酸化グラフェン (rGO) 繊維の表面に活性物質 (電気エネルギーを貯蔵および放出できる物質) を追加することが含まれます。 まず、研究者らはヨウ化水素酸を使用して rGO ファイバーを生成しました。 次に、電着と呼ばれるプロセス (電流を印加して表面に材料を堆積させる方法) を使用して、2 つの活性材料、二酸化マンガン (MnO2) とポリピロール (PPy) を rGO 繊維の表面に追加します。

これにより、ファイバー SC で使用される rGO-PPy-MnO2 と呼ばれる負極材料が作成されました。 次に、多層カーボン ナノチューブ (MWCNT) をポリビニル アルコールとリン酸電解質で rGO-PPy-MnO2 の表面に均一にコーティングすることにより、正極材料を作成しました。

研究者らは、自社の繊維 TENG テキスタイルをテストしたところ、高いエネルギー密度と充放電サイクル全体にわたる長時間の安定性を実現し、ウェアラブルなエネルギーの生成と貯蔵を実現する可能性を高めることを発見しました。

チームは現在、実際の用途におけるテキスタイルの潜在的な用途の探索を開始する予定です。 このためには、パワーテキスタイルの設計と製造プロセスを最適化し、さまざまな条件下でのその性能を調査するとともに、実験室を超えて商業運転で実行可能な拡張可能な製造プロセスを開発する必要があります。