Des chercheurs développent du graphène

Des chercheurs de l'Université du Sichuan, de l'Académie chinoise des sciences et de l'Institut de technologie de Géorgie ont développé un textile portable à base de graphène qui peut convertir les mouvements du corps en électricité utilisable et même stocker cette énergie. Le tissu peut potentiellement être utilisé dans un large éventail d'applications, de la surveillance médicale à l'assistance des athlètes et de leurs entraîneurs dans le suivi de leurs performances, ainsi que des affichages intelligents sur les vêtements.

La précision des appareils électroniques portables actuels et des divers moniteurs de santé disponibles reste limitée en raison de la poignée d'emplacements sur ou à proximité du corps sur lesquels ils peuvent être placés, et limitée à une petite sélection d'applications. À l'avenir, si des tissus avancés peuvent être développés, des appareils électroniques portables intégrés dans des chemises, des pantalons, des sous-vêtements et des chapeaux pourront suivre les indicateurs de fragilité pour évaluer le risque de maladie liée à l'âge, surveiller les niveaux de cortisol pour suivre les niveaux de stress, ou même détecter les agents pathogènes dans le cadre d'un réseau mondial de surveillance des pandémies. Pour faire passer l'électronique portable à ce niveau supérieur, les moniteurs devront être intégrés dans les textiles de manière légère, discrète et moins encombrante.

L'un des défis de l'électronique portable existante provient des limitations de la flexibilité et donc de la portabilité des composants qui fournissent de l'énergie aux appareils. De plus, les unités d'alimentation en énergie doivent être facilement intégrables aux appareils et, à une époque de sensibilisation accrue à l'environnement, durables. De plus, 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 source d'alimentation externe.

"Les piles ne sont pas non plus très confortables à porter", a déclaré Feifan Sheng, auteur principal du spécialiste du papier et des nanosystèmes à l'Institut des nanoénergies et des nanosystèmes de Pékin de l'Académie chinoise des sciences. "Le développement d'alimentations portables et auto-rechargeables est donc crucial."

L'équipe de scientifiques a produit ce qu'elle appelle une "fibre-TENG", une structure flexible, tricotable et portable qui tire parti de l'effet triboélectrique, dans laquelle certains matériaux se chargent électriquement après être entrés en contact par friction avec un autre matériau différent. L'électricité statique courante, par exemple, implique l'électrification induite par contact de l'effet tribolélectrique.

La fibre-TENG se compose 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 électronique et médecine).

Lorsque la fibre-TENG est soumise à une déformation mécanique, telle qu'une flexion ou un étirement par la personne portant un vêtement tricoté à partir du textile, les charges triboélectriques générées par le contact entre les couches d'acide polylactique et d'oxyde de graphène réduit peuvent être collectées par le couche de polypyrrole. Ce processus génère une sortie électrique qui peut être utilisée comme unité de production d'énergie.

La clé du développement de la fibre-TENG était un nouveau procédé utilisé pour préparer la fibre d'oxyde de graphène à utiliser dans un supercondensateur en forme de fibre coaxiale (fibre-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 via une application d'acide iodhydrique. 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 négative appelé rGO-PPy-MnO2 qui est utilisé dans la fibre-SC. Un matériau d'électrode positive a ensuite été fabriqué en enduisant uniformément des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) avec de l'alcool polyvinylique et un électrolyte d'acide phosphorique à la surface du rGO-PPy-MnO2.

En testant leur textile fibre-TENG, les chercheurs ont découvert qu'il atteignait une densité d'énergie élevée et une longue stabilité sur les cycles de charge et de décharge, renforçant ainsi sa promesse de générer et de stocker de l'énergie portable.

L'équipe prévoit maintenant de commencer à explorer les utilisations potentielles de leur textile dans des applications réelles. Pour cela, ils devront optimiser le processus de conception et de fabrication du textile électrique et étudier ses performances dans différentes conditions, ainsi que développer un processus de fabrication évolutif utilisable dans des opérations commerciales au-delà du laboratoire.