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El desarrollo de textiles inteligentes livianos y duraderos es una necesidad creciente para satisfacer la demanda de dispositivos portátiles que no dañan la piel. Diseño Los dispositivos portátiles inspirados en las fibras musculares podrían hacer valiosas contribuciones a la electrónica de próxima generación.
Aprender: Nanoestructuras electrohiladas inspiradas en fibras musculares Fibras conductoras reforzadas para dispositivos optoelectrónicos portátiles inteligentes y generadores de energía. Crédito: Crevis/Shutterstock.com
Un artículo reciente en la revista nano energía discutió el refuerzo de dispositivos portátiles con nanofibras conductoras para lograr robustez mecánica y electrónica.
Los electrodos de fibra conductora reforzada por electrohilado (ERCF) mecánicamente robustos e insensibles a la tensión consisten en refuerzos mecánicos (con nanofibras) accesibles junto con nanopartículas de plata (AgNP) adheridas profundamente, lo que da como resultado dispositivos portátiles con alta durabilidad. Los ERCF insensibles al voltaje, que pueden procesarse en una solución a temperatura ambiente, exhiben tolerancia eléctrica en guantes inteligentes libres de histéresis, celdas electroquímicas emisoras de luz (LEC) e interfaces cognitivas humano-computadora establecidas que se utilizan en dispositivos portátiles.
El nanogenerador basado en ERCF entregó alta corriente, voltaje piezoeléctrico y potencia de salida, superando los problemas de costo, toxicidad, dopantes no biocompatibles y requisitos de alta potencia. Por lo tanto, los sensores inteligentes y los dispositivos portátiles integrados en nanofibras podrían usarse en aplicaciones de salud a través de la comunicación a larga distancia.
Nanofibras en dispositivos portátiles
Las nanofibras varían en diámetro de 1 a 1000 nanómetros y se crean a partir de polímeros, incluidos materiales naturales y sintéticos. Estos polímeros utilizados para fabricar nanofibras deben tener un alto peso molecular, pocas y pequeñas cadenas laterales y deben ser completamente solubles en ciertas soluciones y condiciones.
Las nanofibras han encontrado numerosas aplicaciones en óptica y electrónica debido a sus propiedades fisicoquímicas ajustables, como una alta relación área superficial/volumen, flexibilidad, peso ligero y diámetro pequeño, y tamaño de poro pequeño. Por lo tanto, las nanofibras tienen aplicaciones potenciales en dispositivos portátiles.
La construcción de dispositivos portátiles de próxima generación incluye materiales similares a la piel para realizar la integración de estos dispositivos sin el uso de adhesivos. La principal preocupación de los investigadores que trabajan en dispositivos portátiles es mejorar sus aspectos clave, como la flexibilidad, la capacidad de estiramiento, la durabilidad y la estabilidad a temperatura ambiente.
Para ello, previamente se ha llevado a cabo una extensa investigación para obtener dispositivos portátiles de alta durabilidad y rendimiento eléctrico con buena estabilidad. Además, se han realizado esfuerzos adicionales para reducir la susceptibilidad de los dispositivos portátiles a fallas en los cables. El refuerzo de textiles inteligentes con nanofibras de alta conductividad y elongación es el enfoque más confiable para integrar otros componentes activos. Además, controlar las relaciones de aspecto de las nanofibras y modificar la interfaz con estas nanofibras puede contribuir al desarrollo de dispositivos portátiles inteligentes.
A pesar de la flexibilidad y compatibilidad de los polímeros piezoeléctricos con la piel humana, las limitaciones debidas al proceso de polarización intensivo en energía y la evolución de la fase β electroactiva limitan la recolección y comercialización de energía biomecánica. La robustez mecánica, la no toxicidad, la comodidad y la robustez de los dispositivos portátiles se pueden lograr mejorando la fase β electroactiva mediante el dopaje con varios dopantes orgánicos e inorgánicos.
Fibras conductoras reforzadas con nanofibras electrohiladas
En el presente estudio, se describió la fabricación de ERCF mecánicamente robustos, altamente estirables e inspirados en fibras musculares. Los ERCF consistían en nanofibras poliméricas de estireno-butadieno-estireno (SBS) electrohiladas y AgNP. Las nanofibras que contienen ERCF tenían una aplicación potencial en dispositivos portátiles o electrodos con conductividad eléctrica antisuciedad, LEC, guantes inteligentes y generadores piezoeléctricos autosuficientes basados en textiles.
Los agonizantes refuerzos mecánicos, las estructuras de fibras conductoras fuertemente adheridas (debido al refuerzo de nanofibras), la estabilidad electromecánica debida a la disipación de energía dan a los dispositivos portátiles una conductividad resistente a la suciedad sin necesidad de vacío, patrones complejos o procesos fotolitográficos.
Las nanofibras con guantes inteligentes basados en ERCF demostraron que las interfaces hombre-máquina libres de histéresis sobre sistemas de comunicación de datos 5G podrían integrarse de manera efectiva en la próxima generación de Internet de las cosas (IoT). Además, los LEC de fibra portátil procesados en solución a temperatura ambiente mostraron excelentes propiedades luminiscentes.
Se observó que la generación de energía piezoeléctrica insensible al voltaje se logró mediante la creación de un fluoruro de polivinilideno trenzado (PVDF) electrohilado, autopolarizado, libre de dopantes que permitió la generación de energía sostenida a un voltaje de 29,5 voltios y una potencia de 11,57 microvatios. Además, este PVDF trenzado demostró escalabilidad, rentabilidad, transpirabilidad y rendimiento duradero.
Conclusión
En resumen, se han propuesto dos métodos para fabricar electrodos estirables, a saber, electrohilado e hilado en húmedo. Las nanofibras que contenían ERCF mostraron una excelente conductividad insensible a la tensión, solidez mecánica y capacidad de recuperación debido a los efectos combinados de la adhesión de AgNP, el refuerzo de las nanofibras y la distribución de energía.
Los dispositivos portátiles, como los guantes inteligentes basados en nanofibras con ERCF, permitieron respuestas eléctricas sin histéresis. Esto podría integrarse en dispositivos de comunicación (compatibles con teléfonos móviles) y relojes inteligentes, así como otros diagnósticos de salud de próxima generación. Además, los dispositivos LEC basados en ERCF representan un gran avance en la fabricación de dispositivos portátiles con capacidad de procesamiento de soluciones y propiedades favorables de luminiscencia a temperatura ambiente.
Las nanofibras electrohiladas en los experimentos de recolección de energía promovieron la mejora de la fase β y el comportamiento de autopolarización, lo que indujo la generación de energía piezoeléctrica independientemente de la fuerza del viento. Los dispositivos transpirables, fibrosos, de recolección de energía y sostenibles que utilizan nanocables piezoeléctricos ERCF/PVDF/Ag (ESNG) mejorados en fase podrían lograr un alto rendimiento incluso bajo deformación y conducir a un mayor rendimiento.
Relación
Veeramuthu L, Cho CJ, Venkatesan M, Kumar RG, Hsu HY, Zhuo BX, Kau LJ et al. Nanoestructuras electrohiladas inspiradas en fibras musculares Fibras conductoras reforzadas para dispositivos optoelectrónicos portátiles inteligentes y generadores de energía. nano energía. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107592
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