Oblikovalka tkanin Marianne Fairbanks je dolga leta izdelovala sončne napolnjene torbice. Njeno podjetje Noon Solar je bilo usmerjeno k vrhunskemu urbanemu modnemu trgu in je na vrhuncu prodajal v 30 trgovinah v ZDA in Kanadi. Medtem ko je Noon Solar leta 2010 zaprl svoja vrata, je Fairbanks, ki se je Univerzi v Wisconsin-Madison pridružil leta 2014 kot docent na šoli človeške ekologije, še vedno bil vpet s konceptom sončnega oblikovanja.
Ko je prispela na kampus, je Fairbanks odkril Trisha Andreja, docenta za organsko kemijo, ki je zdaj na Univerzi v Massachusetts-Amherstu. Andrejeva posebnost je v razvoju poceni, lahkih sončnih celic. Konkretno, ustvarila je sončno celico na osnovi organskega barvila na papirju.
Sodelovanje med obema se je začelo z nedolžnim telefonskim klicem.
"Vprašala sem Trish, " pravi Fairbanks, "če bi lahko uporabili njeno idejo, ki jo je uporabila na papirju, na tekstil. In tako se je začel naš projekt. "
"Način ustvarjanja današnje nosljive elektronike je preprost postopek pakiranja, " pravi Andrew. "Fitbit ali Apple ura - vsi imajo PCB [tiskano vezje], ki ima malo elektronskega vezja. Omogoča vam, da 'nosite' to napravo, a meni to ni prava nosljiva elektronika. To je le nekaj, kar je prilepljeno na drug material. "
Njihova skupna strast do inovacij na področju sonca jih zdaj prizadeva za dokončno oblikovanje sončnega tekstila. Medtem ko so načrti Fairbanksa na koncu gojiti končno tkanino, Andrew upa, da bo vzel to tkanino in dejansko izdelal tržne izdelke. Andrew predvideva tkanine za ogrevane avtomobilske sedeže ali celo majhne sončne panele, prišiti v večje oblačilo.
Trisha Andrew, levo, in Marianne Fairbanks, desno, sta razvila tkani prototip sončnega tekstila. (Foto: Jeff Miller / UW-Madison) V preteklosti so sončni paneli izdelani iz stekla ali plastike - materialov, ki so trdi in jih je mogoče uničiti dokaj enostavno. Raziskovalci so se prvič obrnili na tekstil leta 2001, da bi ustvarili sončno komponento, ki je prožna, dihajoča in prožna. Od takrat so bile sončne tkanine vgrajene v prevleke za stadione, vozišča in celo nosilno umetnost, vendar Andrew in Fairbanks trdita, da je njihova tkanina v dihanju, trdnosti in gostoti večja od drugih skupin. Ne le, da so ugotovili, kako uporabiti svoj postopek na kateri koli vrsti tkanine, ampak ker gre za sodelovanje med znanstvenikom in oblikovalcem, imajo tudi možnost razširiti obseg sončnega tekstila na bolj tržen, potrošniku prijazen trg.
"Največja težava je, da so tekstili, ki izhajajo iz inženirske in kemijske skrbi, da so neverjetno grobi, " pravi Andrew. "So tridimenzionalni substrat; niso ravno. "
Njihova sončna celica je sestavljena iz ene plasti tkanine, ki ima štiri nanose iz različnih polimerov. Prva plast je poli (3, 4-etilendiokstiofen) ali "PEDOT", ki sta jo Andrew in njen asistent za raziskave pri doktorskem študiju Lushuai Zhang odkrila, da sta izjemno dobro povečala prevodnost tkanine. Ostali trije premazi so različna polprevodna barvila, na primer modra barva ftalocianina, ki delujejo kot fotoaktivne plasti ali absorbtorji svetlobe za celico. Andrew in Fairbanks sta dosegla večkratni uspeh s prvima dvema plaščema, vendar še vedno delata vez za plašče tri in štiri.
Tkanine, v nasprotju z gladkim in svetlečim steklom ali plastiko, so porozne, zaradi česar jih enakomerno premažemo s specifičnimi polimeri nekoliko zapleteno. Če upoštevate, kako nastane kos tkanine, je sestavljen iz več vlaken, zvitih skupaj. Vsako vlakno bo imelo drugačno stopnjo hrapavosti, ki s stališča kemije vključuje več svetlobnih lestvic (nanometra, mikrometra itd.).
"Če želite elektronsko prevodni polimer dejansko postaviti na to površino, morate prečkati vse te različne svetlobne lestvice, " pravi Andrew. "In to je težko."
Andrew se je odločil, da poskusi s kemičnim nanašanjem hlapov (CVD), tehniko, običajno rezervirano za anorganske poskuse, ki uporabljajo trde podlage, kot so kovine ali plastika. Z izkoriščanjem masovnih transportnih lastnosti ali splošnimi fizikalnimi zakoni, ki urejajo gibanje mase od ene točke do druge, lahko Andrew enakomerno premaže katero koli poljubno snov, vključno s tkanino, ker uporabljeni nanomateriali ne skrbijo za površino podlage . Še bolje je, da PEDOT uporabi v vakuumu.
Naslednji korak je bil določiti, katere tkanine bodo najbolje delovale.
"Prinesel sem silo, volno, najlon - vse te različne podlage, " pravi Fairbanks in ugotavlja, da so bili materiali standardni vzorci iz Jo-Ann Fabrics. Za testiranje tkanin so vsakega premazali s PEDOT-om in drugimi polprevodniškimi materiali, nato pa jih priklenili na elektrode in sponke. Uporabili so napetost in izmerili izhodni tok za vsako serijo.
"Nekateri od njih bi ogrevali in vzeli energijo ter jo prevedli v toploto; nekateri so oddali toploto, vendar so potekali veliko lažje, "pravi Fairbanks.
"Prevodnost PEDOT je v celoti določila osnovni tekstil, " doda Andrew. "Če bi imeli porozen tekstil, bi imeli prevodnost višjo od bakra. Če smo imeli zelo mehko tekstil, kot je mehki bombažni dres ali volneni filc ali zelo tesno tkani tekstil, je bila prevodnost PEDOT res slaba. "
Na podlagi svojih začetnih poskusov je Andrew predlagal prototip rokavic, da bi izkoristili različne lastnosti vsake tkanine. Njihova zasnova je v bistvu uporabljala poseben tekstil, s katerim so prevajali elektriko za ogrevanje različnih delov rokavice. Prototip je izdelan iz ananasovih vlaken, ki so zelo prevodna in absorbirajo toploto, in bombaža, ki deluje kot zavora, da zadrži toploto med plastmi. To je prva postavka, ki jo je duo ustvaril, za katero upajo, da bo dejansko tržila.
"Kar je v tem sodelovanju resnično fascinantno, " pravi Fairbanks, "je, da se nismo posebej zbrali, da bi ustvarili to rokavico. To je bil le eden od teh drugih stranskih izidov prvotne raziskave. "
Andrew in Fairbanks sta skozi proces raziskav in razvoja poskušala preseči svojo prvotno idejo o sončnem tekstilu, ki še vedno poteka, še eno sončno inovacijo, ki vključuje oblaganje vsakega posameznega vlakna s PEDOT-om in tkanje kosov skupaj, da tvorijo delovni krog . Ta popolnoma izvirna tkanina deluje kot triboelektrična naprava, ki mehansko gibanje prevaja v moč. Duo je sestavil 10-na-10-palčne svate različnih vzorcev tkanja, pri čemer je najučinkovitejše ustvarilo približno 400 milivatov moči, tako da je preprosto mahal okoli njega kot majhna zastava.
"Če ste dejansko naredili običajno zaveso za hišo, nekaj 4-metrske noge, potem je to več kot dovolj moči, da lahko napolnite svoj pametni telefon, " pravi Andrew in ugotavlja, da bo material potreboval le vetrič, ki prihaja skozi okno ustvariti to raven moči.
Andrew in Fairbanks sodelujeta z več podjetji v različnih panogah, ki jih zanima vključitev teh idej v prihodnje izdelke. Andrew ima na primer štipendijo zračnih sil, namenjeno izdelavi sončnih šotorov za vojaške namene in ima zunanjo opremo v razvoju s Patagonijo.
"Zelo sem navdušen, saj je tekstil prenosljiv in lahek, " pravi Fairbanks. "V puščavi jih je mogoče namestiti za lovca ali na terenu za medicinske ali vojaške namene na način, da velike nerodne sončne plošče nikoli ne bi mogle biti."
Fairbanks vidi neomejen potencial. Sončni tekstil bi, kot pravi, lahko uporabil za več sto prihodnjih aplikacij, vključno z senčniki, tende in zavetišča za begunce, triboelektrično tkanino pa bi lahko uporabljali v gospodinjskih pripomočkih ali športni opremi, kot so tekaške majice in teniški čevlji - vse, kar zahteva gibanje, saj tako ustvarja moč.
"Navdušen sem, da bom stoodstotno deloval in odšel v svet, " pravi Fairbanks.
