Команда инженеров-электриков и ученых изобрела головной убор, который сообщает своему владельцу, когда можно безопасно переходить дорогу. Экспериментальный головной убор связан с использованием германиевых волокон, которые могут чувствовать меняющиеся сигналы светофора и сообщать пешеходам с нарушениями зрения, когда им можно идти. Этот прототип показывает, как волокна с полупроводниковым сердечником могут быть вплетены в функциональную одежду, которая собирает, обрабатывает и хранит информацию, и в один прекрасный день это может привести к появлению компьютеров, которые можно будет носить как одежду.
Изготовление проводящих волокон, достаточно гибких для использования в одежде, не является простым делом. Кристаллические формы элементов кремния и германия, которые ценятся в индустрии носимой электроники за их оптические и электрические свойства, должны быть заключены в защитную оболочку, а затем сплетены в прочные нити. Предыдущие попытки, в которых использовался процесс, называемый термическим волочением, дали только слишком короткие пряди (обычно не длиннее нескольких десятков сантиметров) и оставляли в волокнах трещины или другие дефекты. Но теперь, впервые, исследователи разработали метод, который создает длинные, гибкие неповрежденные волокна с светочувствительными и электронными свойствами, как доказала тканая шапка. Команда описала эти результаты в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature.
В типичном процессе термического волочения силикон помещается внутрь стеклянной трубки и нагревается до тех пор, пока оба материала не станут достаточно мягкими, чтобы растянуться в тонкие волокна. Но «поскольку свойства силикона и стеклянной внешней оболочки совершенно разные, когда мы нагреваем их, они будут демонстрировать совершенно разное поведение в своей способности растягиваться», – говорит старший автор нового исследования Лей Вэй, который изучает функциональные ткани в Наньянском технологическом университете в Сингапуре. Разница в том, как эти материалы расширяются или сжимаются, может вызвать нагрузку на волокна и сломать их полупроводниковое ядро.
Для решения этой проблемы Вэй и его команда привлекли инженеров-механиков. «Мы руководствовались их советами при выборе материалов», – говорит Вэй. Как только авторы исследования нашли правильные комбинации, они смогли создать волокна, которые выдержали процесс изготовления без дефектов и разрывов, как они сообщили в журнале Nature.
Поместив кремний внутрь кварцевого стекла и германий в алюмосиликатное стекло, исследователи получили непрерывные волокна длиной около 100 метров. Затем они вытравили стеклянную облицовку и снова нагрели и растянули волокна, на этот раз вплавив полупроводниковые сердечники в поликарбонатный пластик. «Волокна очень гибкие, – говорит Вэй, – поэтому их можно вязать или ткать совместно с такими тканями как хлопок, шерсть или шелк, в «функциональный текстиль». Исследователи изготовили прототип ткани шириной около метра и длиной 10 метров. Волокна работали под водой и выдержали другие испытания на прочность и сжатие.
