Wirbelenergie: Sanfte Körperbewegungen laden Mobiltelefon auf
Forscherinnen und Forscher haben einen Weg gefunden, Nylonfasern herzustellen, die smart genug sind, um aus einfachen Körperbewegungen Strom zu erzeugen, und ebnen damit den Weg für intelligente Kleidung, die unsere Gesundheit durch miniaturisierte Sensoren überwacht und unsere Geräte ohne externe Stromquelle auflädt. Diese Entdeckung – eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P), der Universität Bath und der Universität Coimbra in Portugal – basiert auf bahnbrechenden Arbeiten über lösungsverarbeitete piezoelektrische Nylons unter der Leitung von Kamal Asadi, ehemaliger Gruppenleiter am MPI-P und jetzt Professor an der Abteilung für Physik in Bath, und seinem ehemaligen MPI-P-Doktoranden Saleem Anwar.
Piezoelektrische Fasern in Kleidung wandeln bei jeder Bewegung mechanische in elektrische Energie um – Bild © Katharina Maisenbacher, MPI-P
Diese Entdeckung basiert auf bahnbrechenden Arbeiten zu lösungsverarbeiteten piezoelektrischen Nylons unter der Leitung von Professor Kamal Asadi, ehemaliger Gruppenleiter am MPI-P und jetzt Professor am Fachbereich Physik in Bath, und seinem ehemaligen Doktoranden Saleem Anwar. Piezoelektrizität beschreibt das Phänomen, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Einfach ausgedrückt: Wenn man auf ein piezoelektrisches Material klopft oder es verformt, erzeugt es eine Ladung. Fügt man einen Schaltkreis hinzu, kann die Ladung entfernt, zum Beispiel in einem Kondensator gespeichert und dann verwendet werden – zum Beispiel, um ein Mobiltelefon zu betreiben. Wenn man piezoelektrische Kleidung trägt, z.B. ein Hemd, würde schon eine einfache Bewegung wie das Schwingen der Arme genügend Verzerrungen in den Fasern des Hemdes verursachen, um Elektrizität zu erzeugen.
Professor Asadi: „Es gibt eine wachsende Nachfrage nach intelligenten, elektronischen Textilien, aber es ist eine Herausforderung für die Textilindustrie, billige und leicht verfügbare Fasern aus elektronischen Materialien zu finden, die für moderne Kleidungsstücke geeignet sind. „Piezoelektrische Materialien sind gute Kandidaten für die Energiegewinnung aus mechanischen Vibrationen, wie z.B. Körperbewegungen, aber die meisten dieser Materialien sind keramisch und enthalten Blei, was giftig ist und ihre Integration in tragbare Elektronik oder Kleidung zu einer Herausforderung macht.
Wissenschaftler kennen die piezoelektrischen Eigenschaften von Nylon seit den 80er Jahren – die Tatsache, dass das Material bleifrei und ungiftig ist, hat es besonders attraktiv gemacht. Der seidige, künstlich hergestellte Stoff, der oft mit billigen T-Shirts und Damenstrümpfen in Verbindung gebracht wird, ist jedoch „ein sehr schwierig zu handhabendes Material“, so Asadi. „Die Herausforderung besteht darin, Nylonfasern vorzubereiten, die ihre piezoelektrischen Eigenschaften behalten“.
In seiner rohen Polymerform ist Nylon ein weißes Pulver, das mit anderen Materialien (natürlichen oder künstlichen) gemischt und dann zu unzähligen Produkten geformt werden kann, von Kleidung und Zahnbürstenborsten bis hin zu Lebensmittelverpackungen und Autoteilen. Wenn Nylon in eine bestimmte Kristallform reduziert wird, wird es piezoelektrisch. Die bewährte Methode zur Herstellung dieser Nylonkristalle besteht darin, das Nylon zu schmelzen, schnell abzukühlen und dann zu dehnen. Dieser Prozess führt jedoch zu dicken Platten (als „Folien“ bezeichnet), die piezoelektrisch sind, sich aber nicht für Kleidung eignen. Das Nylon muss zu einem Faden gedehnt werden, damit es zu Kleidungsstücken gewebt, oder zu einem dünnen Film, der in tragbaren elektronischen Geräten verwendet werden kann.
Die Herausforderung, dünne piezoelektrische Nylonfilme herzustellen, galt lange als unüberwindbar, und der anfängliche Enthusiasmus für die Herstellung piezoelektrischer Nylonbekleidung wandelte sich in Apathie, was dazu führte, dass die Forschung in diesem Bereich in den 90er Jahren praktisch zum Erliegen kam. Aus einer Laune heraus verfolgten Asadi und Anwar einen völlig neuen Ansatz zur Herstellung von piezoelektrischen Nylon-Dünnfilmen. Sie lösten das Nylonpulver nicht durch Schmelzen, sondern in einem sauren Lösungsmittel auf. Sie stellten jedoch fest, dass die fertige Folie Lösungsmittelmoleküle enthielt, die in den Materialien eingeschlossen waren und dadurch die Bildung der piezoelektrischen Phase verhinderten. „Wir mussten einen Weg finden, die Säure zu entfernen, um das Nylon brauchbar zu machen“, sagte Asadi, der diese Forschung am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Deutschland begann, bevor er nach Bath ging.
Durch Zufall entdeckten die beiden, dass sie durch Mischen der Säurelösung mit dem Aceton (eine Chemikalie, die am besten als Farbverdünner oder Nagellackentferner bekannt ist) in der Lage waren, das Nylon aufzulösen und dann die Säure effizient zu extrahieren, so dass der Nylonfilm in einer piezoelektrischen Phase verbleibt. „Das Aceton verbindet sich sehr stark mit den Säuremolekülen, so dass es beim Verdampfen des Acetons aus der Nylonlösung die Säure mitnimmt. Was übrig bleibt, ist Nylon in seiner piezoelektrischen kristallinen Phase. Der nächste Schritt besteht darin, Nylon in Garne zu verwandeln und es dann in Gewebe zu integrieren“.
Die Entwicklung piezoelektrischer Fasern ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung elektronischer Textilien mit klaren Anwendungen im Bereich der tragbaren Elektronik. So sollen elektronische Elemente, wie z.B. Sensoren, in einen Stoff integriert werden und Strom erzeugen.
Abstract in Advanced Functional Materials: „Elektronische Textilien und Funktionsstoffe gehören zu den wichtigsten Bestandteilen für tragbare Elektronikanwendungen. Bei E-Textilien besteht die Herausforderung darin, Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften wie Piezoelektrizität zu Fasern zu verarbeiten, die als Schuss oder Kette in die Gewebe integriert werden. Nylons, die erstmals in den 40er Jahren für Strümpfe eingeführt wurden, gehören zu den am weitesten verbreiteten synthetischen Fasern in Textilien. Die Realisierung von E-Textilien auf Nylonbasis erwies sich jedoch aufgrund der Schwierigkeit, die piezoelektrische Phase in den Nylonfasern zu erreichen, als schwierig. Hier werden piezoelektrische Nylon-11-Fasern demonstriert, und es wird gezeigt, dass die resultierenden Fasern für Anwendungen in der Energiegewinnung aus niederfrequenten mechanischen Schwingungen und in Bewegungssensoren brauchbar sind. Es wird eine Simulationsstudie vorgestellt, die die Sensibilität der Nylon-11-Fasern gegenüber externen mechanischen Reizen verdeutlicht. Darüber hinaus wird eine Strategie vorgeschlagen und validiert, mit der die elektrische Leistung der Fasern signifikant gesteigert werden könnte. Da ein großer Teil der Textilindustrie auf Nylonfasern basiert, wird die Demonstration von piezoelektrischen Nylonfasern ein wichtiger Schritt zur Realisierung von elektronischen Textilien für Anwendungen in der Bekleidung, Gesundheitsüberwachung, Sportbekleidung und tragbaren Energieerzeugern sein.“
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