I ricercatori sviluppano il grafene

I ricercatori dell’Università del Sichuan, dell’Accademia cinese delle scienze e del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un tessuto indossabile a base di grafene in grado di convertire il movimento del corpo in elettricità utilizzabile e persino di immagazzinare quell’energia. Il tessuto può essere potenzialmente utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni, dal monitoraggio medico all’assistenza agli atleti e ai loro allenatori nel monitorare le loro prestazioni, nonché display intelligenti sugli indumenti.

La precisione degli attuali dispositivi elettronici indossabili e dei vari monitor sanitari disponibili rimane limitata a causa dei pochi punti sopra o vicino al corpo su cui possono essere posizionati e limitata a una piccola selezione di applicazioni. In futuro, se si riusciranno a sviluppare tessuti avanzati, i dispositivi elettronici indossabili integrati in camicie, pantaloni, biancheria intima e cappelli saranno in grado di tracciare indicatori di fragilità per valutare il rischio di malattie legate all’età, monitorare i livelli di cortisolo per tenere traccia dei livelli di stress o addirittura rilevare gli agenti patogeni come parte di una rete globale di monitoraggio della pandemia. Per portare l’elettronica indossabile a questo livello successivo, i monitor dovranno essere integrati nei tessuti in modo che siano leggeri, discreti e meno ingombranti.

Una delle sfide dell’elettronica indossabile esistente deriva dalle limitazioni nella flessibilità e quindi nell’indossabilità dei componenti che forniscono energia ai dispositivi. Inoltre, le unità di alimentazione energetica devono essere facilmente integrabili con i dispositivi e, in un’era di maggiore consapevolezza ambientale, sostenibili. Oltre a tutto ciò, le tecnologie di stoccaggio dell’energia esistenti hanno una capacità molto limitata. Le batterie e i supercondensatori possono immagazzinare energia, ma non possono produrla spontaneamente senza una fonte di alimentazione esterna.

"Inoltre, le batterie non sono molto comode da indossare", ha affermato Feifan Sheng, autore principale dello studio, specialista in carta e nanosistemi presso l'Istituto di nanoenergia e nanosistemi di Pechino presso l'Accademia cinese delle scienze. "Quindi lo sviluppo di alimentatori indossabili e autocaricanti è cruciale."

Il team di scienziati ha prodotto quella che chiamano "fibra-TENG", una struttura flessibile, lavorabile e indossabile che sfrutta l'effetto triboelettrico, in cui alcuni materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto di attrito con un altro materiale diverso. L'elettricità statica comune, ad esempio, comporta l'elettrificazione indotta dal contatto dell'effetto tribolelettrico.

La fibra-TENG è composta da tre strati: uno strato di acido polilattico (un tipo di poliestere comunemente utilizzato nella stampa 3D), uno strato di ossido di grafene ridotto (un tipo di grafene molto conveniente) e uno strato di polipirrolo (un polimero già ampiamente utilizzato in elettronica e medicina).

Quando la fibra-TENG è sottoposta a deformazione meccanica, come flessione o allungamento da parte della persona che indossa un capo di abbigliamento realizzato con il tessuto, le cariche triboelettriche generate dal contatto tra gli strati di acido polilattico e ossido di grafene ridotto possono essere raccolte dal strato di polipirrolo. Questo processo genera un output elettrico che può essere utilizzato come unità di generazione di energia.

La chiave per lo sviluppo della fibra-TENG è stato un nuovo processo utilizzato per preparare la fibra di ossido di grafene per l’uso in un supercondensatore a forma di fibra coassiale (fibra-SC), l’impianto di accumulo di energia integrato nel tessuto. Una struttura coassiale offre grande stabilità durante la flessione e la torsione.

Il processo prevede l’aggiunta di materiali attivi (quelli che possono immagazzinare e rilasciare energia elettrica) sulla superficie delle fibre di ossido di grafene ridotto (rGO). Innanzitutto, i ricercatori hanno prodotto le fibre rGO tramite un’applicazione di acido idroiodico. Quindi, aggiungono due materiali attivi, biossido di manganese (MnO2) e polipirrolo (PPy), sulla superficie delle fibre rGO utilizzando un processo chiamato elettrodeposizione, un metodo per depositare un materiale su una superficie applicando una corrente elettrica.

Ciò ha creato un materiale per elettrodi negativi chiamato rGO-PPy-MnO2 che viene utilizzato nella fibra-SC. È stato quindi realizzato un materiale per elettrodi positivi rivestendo uniformemente nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) con alcol polivinilico ed elettrolita di acido fosforico sulla superficie di rGO-PPy-MnO2.