Les scientifiques ont créé un tissu portable qui peut être incorporé dans les vêtements, transformant les mouvements corporels du porteur en électricité et stockant cette énergie pour une utilisation dans la prochaine génération d’électronique portable, allant du suivi du stress à la détection de pathogènes.
Ces scientifiques ont ainsi élaboré un textile qui convertit le mouvement corporel en électricité utilisable, voire même stockable. Ce tissu présente potentiellement une large gamme d’applications, allant du suivi médical à l’aide apportée aux athlètes et à leurs entraîneurs pour suivre leurs performances, ainsi qu’à l’affichage intelligent sur les vêtements.
L’équipe de recherche responsable du textile explique son fonctionnement dans un article publié dans Nano Research Energy.
Avec les montres intelligentes et les écouteurs sans fil, les gens ont déjà accès à une grande variété de dispositifs électroniques portables. Un éventail de moniteurs de santé, de sport et d’activité sont désormais intégrés dans les smartphones.
Cependant, la précision de ces capteurs reste limitée en raison du peu d’emplacements sur ou près du corps où ils peuvent être placés. Ils sont également limités à une petite fenêtre d’applications par rapport aux ambitions de nombreux spécialistes de la santé et du sport pour une telle technologie. Dans le futur, si des tissus avancés peuvent être développés, alors peut-être que les appareils électroniques portables intégrés dans les chemises, pantalons, sous-vêtements et chapeaux seront en mesure de suivre les indicateurs de fragilité pour évaluer le risque de maladies liées à l’âge, de surveiller les niveaux de cortisol pour suivre les niveaux de stress, ou même de détecter des pathogènes dans le cadre d’un réseau de surveillance de pandémie mondiale.
Pour porter l’électronique portable à ce niveau supérieur, l’intégration de moniteurs de santé, de capteurs sportifs, de systèmes de navigation et de suiveurs d’activité dans les vêtements de manière légère, discrète et moins encombrante nécessite encore quelques avancées majeures dans les textiles avancés.
L’un des défis des appareils électroniques portables existants vient des limitations en termes de flexibilité et donc de portabilité des composants qui fournissent de l’énergie aux dispositifs. De plus, les unités d’alimentation en énergie doivent être facilement intégrables avec les appareils et, à une époque de prise de conscience environnementale accrue, durables. Par-dessus tout, les technologies de stockage d’énergie existantes ont une capacité très limitée. Les batteries et les supercondensateurs peuvent stocker de l’énergie, mais ils ne peuvent pas produire d’énergie spontanément sans une source d’alimentation externe.
« Les batteries ne sont tout simplement pas très confortables à porter », a déclaré Feifan Sheng, auteur principal de l’article et spécialiste des systèmes nano au Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems de l’Académie des sciences de Chine. « Le développement de sources d’alimentation portables et auto-rechargeables est donc crucial ».
L’équipe du professeur Dong a produit ce qu’ils appellent un « fiber-TENG », une structure portable, tricotable et flexible qui tire parti de l’effet triboélectrique, dans lequel certains matériaux deviennent électriquement chargés après être entrés en contact par frottement avec un autre matériau différent. L’électricité statique courante, par exemple, implique l’électrification induite par contact de l’effet triboélectrique.
Le fiber-TENG est constitué de trois couches : une couche d’acide polylactique (un type de polyester couramment utilisé dans l’impression 3D), une couche d’oxyde de graphène réduit (un type de graphène très abordable), et une couche de polypyrrole (un polymère déjà largement utilisé dans l’électronique et la médecine).
Lorsque le fiber-TENG est soumis à une déformation mécanique, comme la flexion ou l’étirement par la personne portant un vêtement tricoté à partir du textile, les charges triboélectriques générées par le contact entre l’acide polylactique et les couches d’oxyde de graphène réduit peuvent être collectées par la couche de polypyrrole. Ce processus génère une sortie électrique qui peut être utilisée comme unité de production d’énergie.
La clé du développement du fiber-TENG a été un processus innovant utilisé pour préparer la fibre d’oxyde de graphène pour une utilisation dans un supercondensateur en forme de fibre coaxiale (fiber-SC) – l’installation de stockage d’énergie intégrée dans le textile. Une structure coaxiale offre une grande stabilité lors de la flexion et de la torsion.
Le processus consiste à ajouter les matériaux actifs (ceux qui peuvent stocker et libérer de l’énergie électrique) sur la surface des fibres d’oxyde de graphène réduit (rGO). Tout d’abord, les chercheurs ont produit les fibres rGO par une application d’acide hydroiodique. Ensuite, ils ajoutent deux matériaux actifs, le dioxyde de manganèse (MnO2) et le polypyrrole (PPy), sur la surface des fibres rGO en utilisant un processus appelé électrodéposition – une méthode de dépôt d’un matériau sur une surface en appliquant un courant électrique.
Cela a créé un matériau d’électrode négatif appelé rGO-PPy-MnO2 qui est utilisé dans le fiber-SC. Un matériau d’électrode positive a ensuite été fabriqué en recouvrant uniformément des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNTs) avec de l’alcool polyvinylique et de l’électrolyte d’acide phosphorique sur la surface du rGO-PPy-MnO2.
En testant leur textile fiber-TENG, les chercheurs ont constaté qu’il présente une densité d’énergie élevée et une stabilité prolongée sur les cycles de charge et de décharge, ce qui renforce sa promesse de fournir une génération et un stockage d’énergie portables.
L’équipe souhaite maintenant commencer à explorer les utilisations potentielles de leur textile dans des applications du monde réel. Pour cela, ils devront optimiser le processus de conception et de fabrication du textile énergétique, et étudier ses performances dans différentes conditions, ainsi que développer un processus de fabrication à grande échelle applicable dans des opérations commerciales au-delà du laboratoire.
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