پارچه پنبه‌ای هوشمند:

تولید برق پایدار از رطوبت هوا و تعریق بدن در نساجی مدرن

در عصر حاضر، جایی که فناوری‌های پایدار و انرژی‌های تجدیدپذیر نقش محوری در توسعه صنایع ایفا می‌کنند، صنعت نساجی نیز از این قافله عقب نمانده است. محققان با بهره‌گیری از مواد طبیعی مانند پنبه، موفق به خلق پارچه‌های هوشمندی شده‌اند که قادر به تولید برق از منابع ساده‌ای همچون رطوبت محیط و تعریق بدن هستند. این نوآوری نه تنها مرزهای سنتی نساجی را گسترش می‌دهد، بلکه راهکاری عملی برای تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی ارائه می‌دهد. تصور کنید لباسی که نه تنها شما را پوشش می‌دهد، بلکه انرژی لازم برای روشن کردن لامپ‌های LED یا شارژ گجت‌های هوشمند را نیز از عرق بدنتان استخراج می‌کند. این فناوری، که بر پایه اصول فیزیکی و شیمیایی پیشرفته بنا شده، می‌تواند تحولی در حوزه نساجی پایدار ایجاد کند و به کاهش وابستگی به باتری‌های سنتی کمک نماید.
پارچه با دو نوع پلیمر پیشرفته پوشانده شده است تا قابلیت تولید برق بهینه شود:
پلی‌پیرول (PPy):
این لایه نور خورشید را جذب کرده و با راندمان بالا به گرما تبدیل می‌کند.
گرمای تولید شده باعث تبخیر سریع آب از سطح پارچه می‌شود و جریان یون‌ها را تحریک می‌کند.
پلی‌دوپامین (PDA):
این لایه نور را بیشتر منعکس می‌کند و تبخیر آب را کندتر می‌کند، بنابراین رطوبت در پارچه حفظ می‌شود.
این ویژگی باعث می‌شود که پارچه بتواند جریان یون‌ها را بدون وقفه و ناپایداری تولید کند.
محققان تنها نیمی از پارچه را با پلی‌دوپامین پوشاندند. این طراحی ایجاد یک ساختار نامتقارن کرده که یک سمت پارچه مرطوب و سمت دیگر خشک باقی بماند. این اختلاف رطوبت دائمی، جریان یون‌ها را از طریق الیاف پنبه به‌صورت پایدار و مداوم حفظ می‌کند.

اصول علمی پشت فناوری تولید برق از رطوبت در پارچه‌های پنبه‌ای
این پارچه هوشمند بر پایه مفهومی به نام ژنراتور رطوبتی با پیشرانه تبخیر نوری (PEMG) عمل می‌کند. PEMG مخفف Photothermal Evaporation-driven Moisture Generator است و از تفاوت در جذب و انعکاس نور توسط دو پلیمر کلیدی بهره می‌برد: پلی‌پیرول (PPy) و پلی‌دوپامین (PDA). پلی‌پیرول، به عنوان یک پلیمر رسانا، نور را در طیف وسیعی جذب کرده و آن را با راندمان بالا به گرما تبدیل می‌کند. این فرآیند گرم شدن سریع پارچه و تبخیر سریع آب می‌شود، که در نتیجه یک سمت پارچه خشک‌تر باقی می‌ماند.
در مقابل، پلی‌دوپامین نور را بیشتر منعکس می‌کند و فرآیند تبخیر را کندتر پیش می‌برد، که این امر به حفظ رطوبت در سمت دیگر پارچه کمک می‌کند. نکته کلیدی در طراحی این پارچه، ساختار نامتقارن آن است؛ به این معنا که تنها نیمی از پارچه با لایه PDA پوشش داده می‌شود، در حالی که کل پارچه ابتدا با PPy تیمار شده است. این عدم تقارن، یک گرادیان دمایی و رطوبتی پایدار ایجاد می‌کند که جریان مداوم یون‌ها را از طریق کانال‌های میکروسکوپی الیاف پنبه تسهیل می‌نماید. نتیجه این فرآیند، تولید الکتریسیته بدون نیاز به منابع خارجی مانند باتری یا انرژی خورشیدی مستقیم است.
این فناوری از پدیده طبیعی تبخیر و جذب رطوبت الهام گرفته شده و می‌تواند در شرایط مختلف آب و هوایی، از جمله روز و شب، عمل کند. در واقع، PEMG با حل مشکل اشباع آب و تبخیر بیش از حد، خروجی الکتریکی پایداری را تضمین می‌کند. این رویکرد نه تنها کارآمد است، بلکه با استفاده از مواد زیست‌سازگار مانند پنبه، به اهداف پایداری محیطی در صنعت نساجی کمک شایانی می‌رساند.

فرآیند ساخت پارچه: از پنبه خام تا ژنراتور پیشرفته
ساخت این پارچه هوشمند فرآیندی گام‌به‌گام و دقیق است که با مواد اولیه ساده آغاز می‌شود. ابتدا، پنبه خام در محلولی حاوی مونومرهای پیرول غوطه‌ور می‌شود. پلیمریزاسیون in situ (در محل) روی الیاف پنبه انجام گرفته و لایه‌ای سیاه‌رنگ از پلی‌پیرول رسانا تشکیل می‌دهد. این لایه تقریباً تمام نور دریافتی را جذب کرده و پارچه را برای تبدیل انرژی نوری به حرارتی آماده می‌سازد.
در مرحله بعدی، تنها نیمی از پارچه در محلولی قلیایی حاوی دوپامین قرار می‌گیرد. مولکول‌های دوپامین به صورت لایه‌ای فوق‌نازک روی پارچه می‌نشینند و ضخامت این لایه باعث ایجاد تداخل نوری می‌شود. نتیجه این فرآیند، ظاهری بنفش و درخشان شبیه به حباب صابون است که نه تنها زیبایی بصری دارد، بلکه عملکرد حرارتی متفاوتی ایجاد می‌کند. سمت پوشش‌دار با PDA نور کمتری جذب کرده و گرمای کمتری تولید می‌نماید، در حالی که سمت PPy به سرعت گرم می‌شود.
هنگامی که پارچه زیر نور خورشید قرار می‌گیرد، تفاوت دمایی بین دو سمت باعث تسریع تبخیر در سمت PPy و جذب مداوم آب از سمت PDA می‌شود. این چرخه پایدار، جریان یون‌ها را حفظ کرده و برق تولید می‌کند. این روش ساخت، که بر پایه پلیمریزاسیون ساده و مواد در دسترس استوار است، امکان تولید انبوه در صنعت نساجی را فراهم می‌آورد و می‌تواند به عنوان الگویی برای توسعه پارچه‌های هوشمند دیگر عمل کند.

عملکرد و آزمایش‌های عملی: کارایی در شرایط واقعی
تست‌های انجام‌شده بر روی این پارچه نشان‌دهنده کارایی بالای آن است. در شرایط نوری متوسط (معادل 1 خورشید) و رطوبت نسبی 60 درصد، ولتاژ مدار باز (Voc) به 0.74 ولت و جریان مدار کوتاه (Isc) به 0.72 میلی‌آمپر می‌رسد. هنگامی که شش واحد از این پارچه به صورت سری متصل شوند، ولتاژ خروجی در روز (با شدت تابش خورشیدی متوسط و رطوبت 43 درصد) به 1.18 ولت افزایش می‌یابد، در حالی که در شب (با رطوبت 52 درصد) به 0.72 ولت می‌رسد.
یکی از برجسته‌ترین دستاوردها، روشن نگه داشتن لامپ‌های LED سفید برای بیش از 24 ساعت بدون وقفه است. علاوه بر این، در آزمایش‌های پوشیدنی، مانند دوخت جلیقه‌ای از این پارچه، تعریق بدن فرد باعث افزایش رطوبت و در نتیجه تولید برق بیشتر می‌شود. این انرژی برای شارژ خازن‌ها، روشن کردن لامپ‌های کوچک و حتی راه‌اندازی دستگاه‌های صوتی بی‌سیم کافی است. تست‌های مکانیکی نیز تایید کرده‌اند که خم شدن، اصطکاک و شستشو تاثیر کمی بر عملکرد دارند، که این امر دوام بالای پوشش‌های پلیمری را نشان می‌دهد. جالب توجه است که رطوبت اسیدی و نمک‌های موجود در عرق انسانی، نه تنها عملکرد را کاهش نمی‌دهد، بلکه با افزایش انتقال الکترون، آن را تقویت نیز می‌کند.

کاربردها در صنعت نساجی و الکترونیک پوشیدنی: افقی نوین
این فناوری نویدبخش کاربردهای گسترده‌ای در حوزه نساجی هوشمند و الکترونیک پوشیدنی است. در صنعت نساجی، می‌توان از آن برای تولید لباس‌های ورزشی که انرژی لازم برای سنسورهای سلامتی را تامین می‌کنند، استفاده کرد. برای مثال، در فعالیت‌های بدنی، تعریق بدن به عنوان منبع اضافی رطوبت عمل کرده و خروجی برق را افزایش می‌دهد، که این امر برای دستگاه‌هایی مانند ساعت‌های هوشمند یا مانیتورهای ضربان قلب ایده‌آل است. علاوه بر این، در حوزه پایداری، این پارچه می‌تواند به کاهش مصرف باتری‌های یک‌بارمصرف کمک کند و راهکاری سبز برای انرژی‌های تجدیدپذیر ارائه دهد. در آینده، ادغام این فناوری با سایر مواد نساجی مانند الیاف های  پیشرفته، می‌تواند به توسعه لباس‌های خودکفا منجر شود که نه تنها انرژی تولید می‌کنند، بلکه قابلیت‌های دیگری مانند حسگری دما یا رطوبت را نیز دارا باشند. این نوآوری، صنعت نساجی را به سمت محصولات هوشمندتر و محیط‌زیست‌دوست‌تر سوق می‌دهد و فرصت‌های جدیدی برای صادرات و نوآوری در بازارهای جهانی ایجاد می‌کند.

مزایا و چالش‌ها: گامی به سوی آینده پایدار
از مزایای کلیدی این پارچه می‌توان به پایداری، دوام و سازگاری با محیط اشاره کرد. استفاده از پنبه به عنوان پایه، آن را زیست‌تخریب‌پذیر می‌سازد و پوشش‌های پلیمری نیز مقاومت بالایی در برابر عوامل خارجی نشان می‌دهند. با این حال، چالش‌هایی مانند بهینه‌سازی برای شرایط آب و هوایی بسیار خشک یا مرطوب وجود دارد که تحقیقات آینده می‌تواند آنها را حل کند.
در نهایت، این پارچه پنبه‌ای هوشمند کننده همگرایی علم مواد، فیزیک و نساجی است و می‌تواند پایه‌ای برای نسل جدیدی از محصولات پوشیدنی باشد. با ادامه تحقیقات، انتظار می‌رود که این فناوری به زودی در بازارهای تجاری ظاهر شود و تحولی در نحوه تعامل ما با لباس‌های روزمره ایجاد کند. 

♦ منابع مرتبط :

https://interestingengineering.com ►

 ♦ لینک اشتراک گذاری :

https://B2n.ir/nassajyar01962►

♦ مطالب پیشنهادی :

- ربات هوشمند دافینگ ماشین ریسندگیAFT-A08

- پیشرفت پارچه‌های هوشمند در حوزه مراقبت و سلامت حیوانات

- پارچه هوشمند نوآورانه؛ تبدیل لباس‌های روزمره به دستیار صوتی پیشرفته

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.