Nylon se zdá být materiálem volby pro piezoelektrické textilie, protože textilní průmysl založený na nylonu byl velmi zralý a nylon má také pohodlnou piezoelektrickou krystalovou fázi. Pokud na něj klepnete, získáte dokonalou akumulaci náboje. Snímání tlaku a získávání energie z pohybu prostředí.
Nicméně, to není jednoduché vytvořit nylon do vlákna a zároveň mu piezoelektrické krystalové struktury. Kamal Asadi, výzkumný pracovník Institutu Maxe Plancka pro polymerní výzkum v Německu a profesor na Univerzitě v Bathu ve Velké Británii, vysvětlil: "Je to téměř výzva na půl století." V nedávné zprávě "Pokročilé funkční materiály" on a jeho spolupracovníci popsali, jak problém vyřešili.
Piezoelektrická fáze nylonu je nejen atraktivní pro elektronické textilie, ale také atraktivní pro různá elektronická zařízení, zejména pro tradiční piezoelektrickou keramiku s vysokou křehkostí. Nicméně, po celá desetiletí, jediný způsob, jak vyrábět krystalický nylon se silnou piezoelektrickou odezvou, je roztavit, rychle ochladit a pak jej natáhnout, aby se kondenzovat do hladké δ'fáze. Výsledná konstrukce je obvykle o tloušťce desítek mikronů, která je příliš silná pro elektronická zařízení nebo elektronické textilní aplikace.
Existence "piezoelektrického chování" vychází z amidových skupin na opakujících se jednotkách v řetězci nylonového polymeru a interakce mezi nimi a amidovými skupinami na přilehlých řetězcích. Když tyto amidy volně sladit své dipóly s elektrickým polem, je možné využít piezoelektrický účinek v materiálu, který byl poprvé pozorován již v roce 1980. Nicméně, co se děje ve většině krystalických fází nylonu je, že tyto amidy tvoří silné vodíkové vazby s amidy na jiných polymerních řetězců, zamykání jejich pozice a brání jim v přeorientování a vyrovnání. Proto je výzvou, které čelíme, najít způsob, jak vytvořit fázi, která umožňuje, aby se amid volně přeorientoval bez omezení morfologie, kterou produkuje během tavení, chlazení a protahování.
Když se většina výzkumných skupin na světě v devadesátých letech vzdala úsilí o výrobu piezoelektrických filmů nebo vláken, Asadova skupina se dostala k "vynikajícímu studentovi textilního inženýra" Saleemu Anwarovi, což Asadaiho přimělo věnovat pozornost tomuto problému. . Výzkumníci nejprve zvažovali základní faktory pro výrobu nylonu ve fázi se silnými piezoelektrickými vlastnostmi. Způsob tavení, chlazení a protahování závisí na rychle se ochlazujícím nylonu, takže Asadi a Anwar a jejich spolupracovníci studovali, jak dosáhnout stejného účinku rozpuštěním nylonu v rozpouštědle a následným rychlým extrakcí rozpouštědla. Nicméně, rozpouštědla mají tendenci rozpouštět nylon tím, že útočí na vodíkové vazby mezi amidy a tvoří vodíkové vazby v jejich pozicích, takže je téměř nemožné se zbavit rozpouštědla.
Jednoho dne, když Anwar použil aceton, aby uklidil po experimentu, řekl Asadovi podivné pozorování, že se snažil použít kyselinu trifluooceticovou (TFA) jako rozpouštědlo k výrobě nylonového filmu a udělal průlom. Přetékající roztok nylonu se stal průhledným. Tým měl podezření, že náhlá průhlednost musí naznačovat reakci, a tak použili kyselinu trifluoroctovou a aceton, aby vytvořili roztok, a pokusili se ho použít ke zpracování nylonu. Jistě dost, následující týden, výzkumníci získali požadované výsledky.
Anwar náhodou objevil vodíkové pouto mezi acetonem a TFA, což je jeden z nejsilnějších vodíkových vazeb známých ve vědecké komunitě. Proto, když vědci rozšířili roztok na vysokosaukový substrát, aby se odpařil rozpouštědlo, jak řekl Asadi: "Je to skoro jako aceton drží molekuly TFA za ruku, čímž je z nylonu, vytváří piezoelektrickou krystalovou fázi."
Výzkumník byl první, kdo vyrobil nylonový film se silnou piezoelektrickou odezvou. Ale to není zcela vyřešit problém výroby vláken, protože výrobní metoda je stále neslučitelná s vysokým vakuem. Takže studovali i jiné způsoby, jak kontrolovat rychlost extrakce rozpouštědla. Zaměřili se na výrobu vláken elektrospinningem. V procesu elektrospinningu elektrické pole přitahuje polymerní roztok do vláken o průměru o průměru pouhých desítek nanometrů na šířku. Vysoký poměr povrchové plochy vlákna produkuje vysokou extrakci rozpouštědlem. Sazba. Klíčem je pak to vyvážit viskozitou polymerního roztoku a elektrospinningovými podmínkami tak, aby jiné faktory nezabránily tvorbě vláken v drahocenném δ'fázi.
Vědci zjistili, že vlákna o šířce 200 nanometrů mají "sweet spot" mezi konkurenčními faktory. Výsledky měření potenciálu generovaného periodickým mechanickým šokem s frekvencí 8 Hz ukazují, že 200-nanometrové δ'fáze vlákna generuje 6 V, zatímco užší vlákno generuje méně než 0,6 V kvůli těmto šířkám. Faktory související s úzkoprsostí způsobují, že fáze tvořená vláknem nemá piezoelektrickou odezvu.
Ve skutečnosti, v širokém vlákně kolem 1000nm, vlákno je příliš silná, aby extrahovat rozpouštědlo efektivně a rychle. Nylon tvoří γ krystalickou fázi s pouze slabou piezoelektrickou odezvou. U silnějších vláken je piezoelektrická odezva γ fáze špatná, což je do jisté míry kompenzováno větším objemem vláken, což vede k potenciálu 4V. Nicméně, 200nm δ'phase fiber má stále tu výhodu citlivější reakce.
