Nanotech "film" kan leda till nästa generations smarta tyger, rapporterar NCSU-forskare

RALEIGH – En film gjord av små kolnanorör (CNT) kan vara ett nyckelmaterial för att utveckla kläder som kan värma eller kyla bäraren vid behov. Ett nytt North Carolina State University studie finner att CNT-filmen har en kombination av termiska, elektriska och fysiska egenskaper som gör den till en tilltalande kandidat för nästa generations smarta tyger.

Forskarna kunde också optimera materialets termiska och elektriska egenskaper, vilket gör att materialet behåller sina önskvärda egenskaper även när det utsätts för luft i många veckor. Dessutom uppnåddes dessa egenskaper med hjälp av processer som var relativt enkla och inte krävde alltför höga temperaturer.

"Många forskare försöker utveckla ett material som är giftfritt och billigt, men som samtidigt är effektivt för att värma och kyla", sa Tushar Ghosh, medmotsvarande författare till studien. "Kolnanorör, om de används på rätt sätt, är säkra, och vi använder en form som råkar vara billig, relativt sett. Så det är potentiellt ett mer prisvärt termoelektriskt material som kan användas intill huden." Ghosh är William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles vid Wilson College of Textiles i staten NC.

"Vi vill integrera detta material i själva tyget," sa Kony Chatterjee, första författare till studien och en Ph.D. student vid NC State. "Just nu fokuserar forskningen på kläder som kan reglera temperaturen mycket på att integrera styva material i tyger, och kommersiella bärbara termoelektriska enheter på marknaden är inte heller flexibla."

För att kyla bäraren, sade Chatterjee, har CNT egenskaper som gör att värme kan dras bort från kroppen när en extern strömkälla appliceras.

"Tänk på det som en film, med kylande egenskaper på ena sidan av den och uppvärmning på den andra," sa Ghosh.

Forskarna mätte materialets förmåga att leda elektricitet, liksom dess värmeledningsförmåga, eller hur lätt värme passerar genom materialet.

En av de största upptäckterna var att materialet har relativt låg värmeledningsförmåga – vilket innebär att värmen inte lätt skulle gå tillbaka till bäraren efter att ha lämnat kroppen för att kyla den. Det betyder också att om materialet användes för att värma bäraren, skulle värmen gå med en ström mot kroppen och inte gå tillbaka ut till atmosfären.

Forskarna kunde noggrant mäta materialets värmeledningsförmåga genom ett samarbete med labbet av juni Liu, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State. Forskarna använde en speciell experimentell design för att mer exakt mäta materialets värmeledningsförmåga i den riktning som den elektriska strömmen rör sig i materialet.

"Du måste mäta varje egenskap i samma riktning för att ge dig en rimlig uppskattning av materialets kapacitet," sa Liu, medförfattare till studien. ”Det här var ingen lätt uppgift; det var väldigt utmanande, men vi utvecklade en metod för att mäta detta, speciellt för tunna flexibla filmer.”

Forskargruppen mätte också materialets förmåga att generera elektricitet med hjälp av en skillnad i temperatur, eller termisk gradient, mellan två miljöer. Forskare sa att de kunde dra nytta av detta för uppvärmning, kylning eller för att driva liten elektronik.

Liu sa att även om dessa termoelektriska egenskaper var viktiga, var det också viktigt att de hittade ett material som också var flexibelt, stabilt i luften och relativt enkelt att tillverka.

"Poängen med detta dokument är inte att vi uppnådde den bästa termoelektriska prestandan," sa Liu. "Vi uppnådde något som kan användas som ett flexibelt, elektroniskt, mjukt material som är lätt att tillverka. Det är lätt att förbereda detta material och lätt att uppnå dessa egenskaper.”

I slutändan är deras vision för projektet att designa ett smart tyg som kan värma och kyla bäraren, tillsammans med energiskörd. De tror att ett smart plagg skulle kunna bidra till att minska energiförbrukningen.

"Istället för att värma eller kyla en hel bostad eller ett utrymme, skulle du värma eller kyla det personliga utrymmet runt kroppen," sa Ghosh. "Om vi kunde få ner termostaten en grad eller två, skulle det kunna spara en enorm mängd energi."

Uppsatsen, "In-plane Thermoelectric Properties of Flexible and Room Temperature Processable Doped Carbon Nanotube Films", publicerades i tidskriften ACS Applied Energy Materials. Uppsatsen var medförfattare av Ankit Negi och Kyunghoon Kim, som är Ph.D. studenter vid NC State. Forskningen stöddes av National Science Foundation, under anslag 1943813 och 1622451, och av NC State Chancellor's Innovation Fund.

(C) NCSU

Ursprungligt inlägg av: WRAL TechWire