Учёные создали гибкий материал для самозаряжающихся датчиков здоровья

СЭМ-изображения и распределение размеров волокон P(VDF-TrFE) (70/30), полученных методом электроспиннинга из растворов с концентрацией от 22 до 36% масс./об.: (a) 22, (b) 24, (c) 27, (d) 30, (e) 33 и (f) 36% масс./об. Автор: Journal of Applied Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0267697

Одежда будущего сможет отслеживать состояние здоровья человека в реальном времени, поскольку сама ткань станет самозаряжающимся датчиком. Новая технология электроспиннинга, создающая волокна с помощью электричества, делает этот сценарий ближе к реальности.

Команда исследователей из Университета Пенсильвании разработала новый метод производства, который оптимизирует внутреннюю структуру электроспиннинговых волокон для улучшения их электронных свойств. Результаты исследования опубликованы в Journal of Applied Physics.

По словам Гуаньчуня Жуя, постдока в Департаменте электротехники и соавтора исследования, этот метод открывает путь к созданию более эффективной, гибкой и масштабируемой электроники для носимых датчиков, мониторинга здоровья и сбора энергии.

Материал основан на поли(винилиденфторид-трифторэтилене) (PVDF-TrFE) — лёгком и гибком полимере, способном генерировать электрический заряд при сжатии или изгибе. Это пьезоэлектрическое свойство делает его перспективным для преобразования механической энергии в электрическую.

«PVDF-TrFE обладает сильными ферроэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами», — пояснил Жуй. «Он термически стабилен, лёгок и гибок, что идеально подходит для носимой электроники».

Электроспиннинг использует электрическое поле для формирования ультратонких волокон из полимерного раствора. Учёные обнаружили, что изменение концентрации и молекулярной массы раствора позволяет добиться более упорядоченной молекулярной структуры.

«Кристалличность означает, что молекулы более упорядочены, — отметил Жуй. — А полярная фаза обеспечивает выравнивание зарядов, что позволяет материалу генерировать электричество от движения».

Профессор Патрик Мэзер, соавтор исследования, подчеркнул неожиданный успех экспериментов с высокой концентрацией полимера (около 30%): «Мы сомневались, но низкомолекулярные цепи оказались достаточно подвижными для кристаллизации. Это был приятный сюрприз».

Первоначально материал разрабатывался для масок, способных улавливать вирусы за счёт электростатического заряда. Однако его потенциал гораздо шире: от датчиков в одежде до генераторов энергии.

«Если носить его как одежду, это намного удобнее, — добавил профессор Цимин Чжан. — Датчики можно встроить даже в повязки».

Следующим шагом станет уплотнение материала (сейчас он на 70% пористый) для повышения чувствительности. Для коммерциализации технологии учёные ищут промышленных партнёров.

Подробнее: Wenyi Zhu et al, High crystallinity and polar-phase content in electrospun P(VDF-TrFE) nanofibers with low molecular weight, Journal of Applied Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0267697