Forschung -

Empfindliche Nanosensoren für smarte Textilien

Ingenieure von der University of Delaware entwickelten eine spezielle und flexible Beschichtung aus Kohlenstoffnanoröhren für unterschiedliche Textilien, wie zum Beispiel Baumwolle und Nylon.

In ihrem Forschungsbericht, der in 'ACS Sensors' erschien, beschreiben die Experten, dass sie mit ihrer Erfindung einen weiten Druckbereich erfassen können - vom leichten Druck einer Fingerspitze bis zum Überfahren durch einen Gabelstapler.

Gewebe, das mit dieser Tasttechnologie beschichtet ist, lässt sich in zukünftige smarte Kleidung oder zum Beispiel auch in Schuhsohlen integrieren, um Bewegungen des Körpers zu registrieren.

Kohlenstoffnanoröhren geben dieser leichten, flexiblen Textilbeschichtung beeindruckende Messmöglichkeiten. Wird das neue Material gepresst, lassen sich die großen elektrischen Veränderungen problemlos messen.

"Als Sensor reagiert es sehr empfindlich auf Kräfte, von der Berührung bis zu Tonnenkräfte," sagte Professor Erik Thostenson vom Department of Mechanical Engineering.

Durch elektrophoretische Abscheidung (EPD) von Polyethylenimin-funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden nervenähnliche, elektrisch leitfähige Nanokompositbeschichtungen auf den Fasern erzeugt.

"Der Film funktioniert fast so wie ein Farbstoff, der elektrische Sensingfunktionen hinzufügt," sagte Thostenson. "Der in meinem Labor entwickelte EPD-Prozess erzeugt diese sehr gleichmäßige Nanobeschichtung, die sich mit der Textiloberfläche sehr stark verbindet. Der Prozess ist für zukünftige Applikationen industriell skalierbar."

Diese Nanoverbundstoffbeschichtung ist flexibel, bietet eine angenehme Berührung und wurde mit einer Reihe von natürlichen und synthetischen Fasern getestet, einschließlich Kevlar, Wolle, Nylon, Spandex und Polyester.

Die Beschichtungen sind nur 250 nm bis 750 nm dick, also ungefähr zu 0,25 bis 0.75 Prozent so dick wie ein Blatt Papier. Das Gewicht eines Schuhs oder Kleidungsstücks verändert sich mit der Beschichtung nur um etwa ein Gramm.

Hinzu kommt, dass die Materialien für die Sensorbeschichtung kostengünstig und relativ umweltfreundlich sind, da sie sich bei Raumtemperaturen und mit Wasser verarbeiten lassen.

Eine sehr interessante Applikation für das sensorbeschichtete Gewebe ist die Messung der Kräfte, die beim gehenden Menschen auf dessen Füße auswirken. Entsprechende Messdaten könnten zum Beispiel dabei helfen, Ungleichgewichte nach Unfällen exakt zu erfassen.

"Es ist sehr schwierig, von Kindern Bewegungsdaten über eine gewisse Zeitspanne und unter realen Umständen zu sammeln," sagte Direktor Robert Akins vom 'Center for Pediatric Clinical Research and Development' am Nemours - Alfred I. duPont Hospital for Children in Wilmington.

"Dünne, flexible und sehr empfindliche Sensoren wie diese könnten physikalischen Therapeuten und Doktoren dabei helfen, die Mobilität eines Kindes entfernt zu erfassen. Das bedeutet, dass Mediziner mehr und möglicherweise bessere Daten kostengünstiger als bisher erhalten. Daraus ergeben sich gegenüber bisherigen Verfahren unter anderem weniger Klinikbesuche."

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