El tejido portátil captura la energía del movimiento del cuerpo para alimentar dispositivos

Aug 04, 2023

5 de junio de 2023

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por Prensa de la Universidad de Tsinghua

Los nanocientíficos han desarrollado un tejido portátil que puede convertir el movimiento del cuerpo en electricidad utilizable e incluso almacenar esa energía. El tejido tiene potencialmente una amplia gama de aplicaciones, desde monitoreo médico hasta ayudar a los atletas y sus entrenadores a monitorear su desempeño, así como pantallas inteligentes en la ropa.

El equipo de investigación responsable del textil describe cómo funciona en un artículo publicado en Nano Research Energy.

Desde relojes inteligentes hasta auriculares inalámbricos, las personas ya tienen acceso a una amplia gama de dispositivos electrónicos portátiles. Una gama de monitores de salud, deporte y actividad ahora están integrados en los teléfonos inteligentes.

Pero la precisión de dichos sensores sigue siendo limitada debido al puñado de ubicaciones en o cerca del cuerpo en las que se pueden colocar, y se restringe a una pequeña ventana de aplicaciones en comparación con las ambiciones que muchos especialistas en salud y deportes tienen para dicha tecnología.

En el futuro, si se pueden desarrollar telas avanzadas, quizás los dispositivos electrónicos portátiles integrados en camisas, pantalones, ropa interior y sombreros puedan rastrear indicadores de fragilidad para evaluar el riesgo de enfermedades relacionadas con la edad, monitorear los niveles de cortisol para rastrear los niveles de estrés, o incluso detectar patógenos como parte de una red global de monitoreo de pandemias.

Llevar la electrónica portátil al siguiente nivel, integrar monitores de salud, sensores deportivos, sistemas de navegación y rastreadores de actividad en la ropa de una manera que sea liviana, discreta y menos engorrosa aún requiere algunos avances importantes en textiles avanzados.

Uno de los desafíos de la electrónica portátil existente proviene de las limitaciones en la flexibilidad y, por lo tanto, la portabilidad de los componentes que suministran energía a los dispositivos. Además, las unidades de suministro de energía deben ser fácilmente integrables con los dispositivos y, en una era de mayor conciencia ambiental, sostenibles. Además de todo esto, las tecnologías de almacenamiento de energía existentes tienen una capacidad muy limitada. Las baterías y los supercondensadores pueden almacenar energía, pero no pueden producir energía espontáneamente sin una fuente de alimentación externa.

"Las baterías tampoco son muy cómodas de usar", dijo Feifan Sheng, autor principal del artículo y especialista en nanosistemas del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing en la Academia de Ciencias de China. "Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de alimentación portátiles y de carga automática es crucial".

El equipo de nanocientíficos del profesor Dong produjo lo que ellos llaman una "fibra-TENG", una estructura flexible, tejida y portátil que aprovecha el efecto triboeléctrico, en el que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de entrar en contacto por fricción con otro material diferente. La electricidad estática común, por ejemplo, implica la electrificación inducida por contacto del efecto triboleléctrico.

La fibra-TENG consta de tres capas: una capa de ácido poliláctico (un tipo de poliéster comúnmente utilizado en impresión 3D), una capa de óxido de grafeno reducido (un tipo de grafeno muy asequible) y una capa de polipirrol (un polímero ya ampliamente utilizado en electrónica y medicina).

Cuando la fibra-TENG se somete a deformación mecánica, como la flexión o el estiramiento por parte de la persona que viste una prenda tejida a partir del textil, las cargas triboeléctricas generadas por el contacto entre el ácido poliláctico y las capas reducidas de óxido de grafeno pueden ser recogidas por el capa de polipirrol. Este proceso genera una salida eléctrica que se puede utilizar como unidad de generación de energía.

La clave para el desarrollo de la fibra-TENG fue un proceso novedoso utilizado para preparar la fibra de óxido de grafeno para su uso en un supercondensador en forma de fibra coaxial (fibra-SC), la instalación de almacenamiento de energía integrada en el tejido. Una estructura coaxial proporciona una gran estabilidad al doblar y torcer.

El proceso implica agregar los materiales activos (aquellos que pueden almacenar y liberar energía eléctrica) sobre la superficie de las fibras de óxido de grafeno reducido (rGO). Primero, los investigadores produjeron las fibras rGO mediante la aplicación de ácido yodhídrico. Luego, agregan dos materiales activos, dióxido de manganeso (MnO2) y polipirrol (PPy), sobre la superficie de las fibras rGO mediante un proceso llamado electrodeposición, un método para depositar un material sobre una superficie mediante la aplicación de una corriente eléctrica.

Esto creó un material de electrodo negativo llamado rGO-PPy-MnO2 que se usa en la fibra-SC. A continuación, se fabricó un material de electrodo positivo mediante el recubrimiento uniforme de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) con electrolito de alcohol polivinílico y ácido fosfórico en la superficie de rGO-PPy-MnO2.

Al probar su tejido TENG de fibra, los investigadores descubrieron que disfruta de una alta densidad de energía y una estabilidad prolongada durante los ciclos de carga y descarga, lo que mejora su promesa de generar y almacenar energía portátil.

El equipo ahora quiere comenzar a explorar los usos potenciales de su textil en aplicaciones del mundo real. Para ello, deberán optimizar el proceso de diseño y fabricación del power textile e investigar su rendimiento en diferentes condiciones, así como desarrollar un proceso de fabricación escalable que funcione en operaciones comerciales más allá del laboratorio.

Más información: Feifan Sheng et al, Textiles híbridos portátiles de recolección y almacenamiento de energía como sistemas de energía autocargables en el cuerpo, Nano Research Energy (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120079

Proporcionado por Prensa de la Universidad de Tsinghua