В течение многих лет дизайнер тканей Марианна Фэрбенкс делала сумки на солнечных батареях. Ее компания, Noon Solar, была ориентирована на элитный городской модный рынок и, на пике, продавала в 30 магазинах в Соединенных Штатах и Канаде. В то время как Noon Solar закрыл свои двери в 2010 году, Фэрбенкс, который поступил в Университет Висконсин-Мэдисон в 2014 году в качестве доцента в школе экологии человека, все еще был заинтригован концепцией солнечного дизайна.
Как только она прибыла в университетский городок, Фэрбенкс обнаружила Тришу Эндрю, доцента кафедры органической химии в Университете Массачусетса-Амхерста. Эндрю специализируется на разработке недорогих и легких солнечных батарей. В частности, она создала солнечный элемент на основе органических красителей на бумаге.
Сотрудничество между ними началось с невинного телефонного звонка.
«Я спросила Триш, - говорит Фэрбенкс, - можем ли мы применить ее идею о том, что она использовала на бумаге текстиль. И так начался наш проект ».
«Способ создания современной носимой электроники - это простой процесс упаковки», - говорит Эндрю. «Часы Fitbit или Apple - все они имеют печатную плату, которая содержит небольшую электронную схему. Это позволяет вам «носить» это устройство, но для меня это не настоящая носимая электроника. Это только то, что прикреплено к другому материалу ».
Их общая страсть к солнечным инновациям заставляет их работать над завершением разработки дизайна солнечного текстиля. В то время как планы Фэрбенкса заключаются в том, чтобы в конечном итоге выращивать готовую ткань, Эндрю надеется взять эту ткань и фактически производить товарную продукцию. Эндрю представляет тканевые панели для сидений с подогревом или даже маленькие солнечные панели, сшитые в большую одежду.
Триша Эндрю (слева) и Марианна Фэрбенкс (справа) разработали тканый прототип из солнечной ткани. (Фото Джеффа Миллера / UW-Madison) Исторически солнечные панели изготавливались из стекла или пластика - материалов, которые являются твердыми и могут быть легко разрушены. Исследователи впервые обратились к текстилю в 2001 году, чтобы создать солнечный компонент, который будет гибким, дышащим и гибким. С тех пор солнечные ткани были включены в покрытия стадиона, навесы для автомобилей и даже носимое искусство, но Эндрю и Фэрбенкс утверждают, что их ткань превосходит другие группы по воздухопроницаемости, прочности и плотности. Они не только выяснили, как использовать свой процесс на любом типе ткани, но и потому, что это сотрудничество между учеными и дизайнерами, они также имеют возможность расширить сферу применения солнечного текстиля на более коммерческом, дружественном для потребителей рынке.
«Самая большая проблема заключается в том, что текстиль из инженерного и химического концерна заключается в том, что он невероятно грубый», - говорит Эндрю. «Это трехмерная подложка; они не плоские.
Их солнечный элемент состоит из одного слоя ткани, который имеет четыре слоя различных полимеров. Первый слой - Poly (3, 4-этилендиокситиофен), или «PEDOT», который, как обнаружили Эндрю и ее научный сотрудник в постдокументе, Люшуай Чжан, невероятно хорошо работал для увеличения проводимости ткани. Другие три слоя представляют собой различные полупроводниковые красители, такие как фталоцианин синего красителя меди, которые действуют как фотоактивные слои или поглотители света для элемента. Эндрю и Фэрбенкс достигли многократного успеха с первыми двумя слоями, но все еще работают над изгибами слоев три и четыре.
Ткани, в отличие от гладкого и блестящего стекла или пластика, являются пористыми, что делает их равномерное покрытие специальными полимерами немного сложнее. Если вы подумаете о том, как создается кусок ткани, он состоит из нескольких волокон, скрученных вместе. Каждое волокно будет иметь различный уровень шероховатости, который, с химической точки зрения, включает несколько световых шкал (нанометр, микрометр и т. Д.).
«Чтобы на самом деле нанести электронопроводящий полимер на эту поверхность, вы должны пересечь все эти различные световые шкалы», - говорит Эндрю. «И это сложно».
Чтобы обойти эту проблему, Эндрю решил попробовать химическое осаждение из паровой фазы (CVD), метод, обычно используемый для неорганических экспериментов, в которых используются твердые подложки, такие как металлы или пластик. Используя преимущества массопереноса или общие физические законы, регулирующие движение массы из одной точки в другую, Эндрю может равномерно покрывать любое произвольное вещество, включая ткань, потому что используемые наноматериалы не заботятся о поверхности подложки., Еще лучше, она применяет ПЕДОТ в вакууме.
Следующим шагом было определение, какие ткани будут работать лучше всего.
«Я привез шелк, шерсть, нейлон - все эти разные субстраты», - говорит Фэрбенкс, отмечая, что материалы были стандартными образцами от Jo-Ann Fabrics. Чтобы проверить ткани, они покрыли каждую из них PEDOT и другими полупроводниковыми материалами, а затем подключили их к зажимам и проводам электрода. Они подали напряжение и измерили выходной ток для каждого образца.
«Некоторые из них будут разогреваться, брать энергию и переводить ее в тепло; некоторые из них распределяли тепло, но проводили намного легче », - говорит Фэрбенкс.
«Проводимость PEDOT полностью определялась основным материалом», - добавляет Эндрю. «Если у нас был пористый текстиль, у нас проводимость была выше, чем у меди. Если бы у нас был очень нечеткий текстиль, такой как нечеткий хлопковый трикотаж или шерстяной войлок, или очень плотный тканый текстиль, то проводимость PEDOT была действительно плохой ».
Основываясь на своих первоначальных экспериментах, Эндрю предложил прототип перчатки, чтобы воспользоваться различными свойствами каждой ткани. По сути, в их дизайне использовался специальный текстиль для проведения электричества для обогрева различных частей перчатки. Прототип изготовлен из ананасового волокна, которое является очень проводящим и поглощает тепло, и из хлопка, который действует как тормоз для сохранения тепла, содержащегося между слоями. Это первая вещь, созданная дуэтом, которую они надеются продать.
«Что действительно впечатляет в этом сотрудничестве, - говорит Фэрбенкс, - то, что мы специально не собрались вместе, чтобы создать эту перчатку. Это был только один из побочных результатов оригинального исследования ».
В процессе исследований и разработок Эндрю и Фэрбенкс экспериментировали не только над своей первоначальной идеей в области солнечного текстиля, которая все еще находится в стадии разработки, но и над другой солнечной инновацией, которая включает в себя покрытие каждого отдельного волокна PEDOT и сплетение кусков вместе для формирования рабочего контура., Эта полностью оригинальная ткань работает как трибоэлектрическое устройство, переводя механическое движение в силу. Дуэт сконструировал образцы размером 10 на 10 дюймов с разным рисунком переплетения, при этом наиболее эффективно генерировалось около 400 милливатт энергии, просто размахивая им, как маленький флаг.
«Если вы на самом деле сделали стандартную шторку для дома, что-то 4 на 4 фута, то этого более чем достаточно для зарядки вашего смартфона», - говорит Эндрю, отмечая, что материалу потребуется только легкий ветерок, проникающий через окно. генерировать этот уровень мощности.
Эндрю и Фэрбенкс работают с несколькими компаниями в различных отраслях, которые заинтересованы во внедрении этих идей в будущие продукты. Эндрю, например, имеет грант ВВС, предназначенный для производства солнечных палаток для солдат, и разрабатывает экипировку для открытых площадок вместе с Патагонией.
«Я очень взволнован, потому что текстиль портативный и легкий», - говорит Фэрбенкс. «Они могут быть развернуты в пустыне для охотников или в полевых условиях для медицинского или военного применения так, как никогда не могли бы быть большие неуклюжие солнечные панели».
Фэрбенкс видит безграничный потенциал. По ее словам, солнечный текстиль может быть использован для сотен будущих применений, включая зонтики, навесы и укрытия для беженцев, в то время как трибоэлектрическая ткань может использоваться в предметах домашнего обихода или спортивном снаряжении, таких как кроссовки и теннисные кроссовки - все, что требует движения, так как вот как он генерирует энергию.
«Я взволнован, чтобы заставить его функционировать на 100 процентов», - говорит Фэрбенкс.
