Ученые разрабатывают ультратонкие полупроводниковые волокна, которые превращают ткани в носимую электронику

Новости сегодня - Ученые разрабатывают ультратонкие полупроводниковые волокна, которые превращают ткани в носимую электронику

Ученые из Сингапурского технического университета разработали ультратонкие полупроводниковые волокна, из которых можно вплетать ткани, превращая их в интеллектуальную носимую электронику. Их работа была опубликована в журнале Nature.

Для создания надежно функционирующих полупроводниковых волокон они должны быть гибкими и без дефектов для стабильной передачи сигнала. Однако существующие методы производства вызывают напряжение и нестабильность, что приводит к трещинам и деформации полупроводниковых сердечников, что отрицательно влияет на их характеристики и ограничивает их развитие.

Ученые НТУ провели моделирование и симуляцию, чтобы понять, как стресс и нестабильность возникают в процессе производства . Они обнаружили, что эту проблему можно решить путем тщательного выбора материала и выполнения определенных шагов при производстве волокна.

Они разработали механическую конструкцию и успешно изготовили тонкие, как волос, бездефектные волокна длиной 100 метров, что указывает на масштабируемость рынка. Важно отметить, что новые волокна можно вплетать в ткани, используя существующие методы.

Чтобы продемонстрировать высокое качество и функциональность своих волокон, исследовательская группа NTU разработала прототипы. К ним относятся умная шапка-бини, которая помогает слабовидящему человеку безопасно переходить дорогу, получая оповещения в приложении для мобильного телефона; рубашка, которая принимает информацию и передает ее через наушник, как музейный аудиогид; и умные часы с ремешком, который выполняет функцию гибкого датчика, подходящего для запястья пользователя, для измерения сердечного ритма даже во время физической активности.

Команда считает, что их инновация является фундаментальным прорывом в разработке полупроводниковых волокон, которые являются сверхдлинными и долговечными, а это означает, что они экономически эффективны и масштабируемы, предлагая при этом превосходные электрические и оптоэлектронные свойства (то есть они могут воспринимать, передавать и взаимодействовать со светом). производительность.

Доцент NTU Вей Лей из Школы электротехники и электронной техники (EEE) и ведущий исследователь исследования сказал: «Успешное производство наших высококачественных полупроводниковых волокон стало возможным благодаря междисциплинарному характеру нашей команды.

«Изготовление полупроводникового волокна — это очень сложный процесс, требующий ноу-хау от экспертов в области материаловедения, механики и электротехники на разных этапах исследования.

«Совместные усилия команды позволили нам четко понять задействованные механизмы, что в конечном итоге помогло нам открыть дверь к бездефектным нитям, преодолев давнюю проблему в волоконных технологиях».

Разработка полупроводникового волокна

Для разработки бездефектных волокон команда под руководством NTU выбрала пары обычного полупроводникового материала и синтетического материала — кремниевую полупроводниковую сердцевину с трубкой из кварцевого стекла и германиевую сердцевину с трубкой из алюмосиликатного стекла. Материалы были выбраны на основе их свойств, которые дополняли друг друга.

К ним относятся термическая стабильность, электропроводность и способность пропускать электрический ток (удельное сопротивление).

Кремний был выбран из-за его способности нагреваться до высоких температур и манипулирования им без разрушения, а также из-за его способности работать в диапазоне видимого света, что делает его идеальным для использования в устройствах, предназначенных для экстремальных условий, таких как датчики на защитной одежде пожарных.

Германий, с другой стороны, позволяет электронам быстро перемещаться по волокну (мобильность носителей) и работать в инфракрасном диапазоне, что делает его пригодным для применения в носимых или тканевых (например, шторах, скатерти) датчиках, совместимых с внутренние беспроводные оптические сети Light Fidelity («LiFi»).

Затем ученые поместили полупроводниковый материал (сердечник) внутрь стеклянной трубки, нагревая его при высокой температуре, пока трубка и сердечник не стали достаточно мягкими, чтобы их можно было вытянуть в тонкую непрерывную нить (см. изображение ниже).

Из-за разной температуры плавления и степени теплового расширения выбранных материалов стекло во время процесса нагрева функционировало как винная бутылка, содержа полупроводниковый материал, который, как и вино, наполняет бутылку при плавлении.

Первый автор исследования доктор Ван Чжисюнь, научный сотрудник Школы EEE, сказал: «Прежде чем прийти к правильному сочетанию материалов и процесса для разработки наших волокон, потребовался обширный анализ. Используя различные температуры плавления и скорости теплового расширения. Из выбранных нами материалов мы успешно вытягивали полупроводниковые материалы в длинные нити при их входе и выходе из нагревательной печи, избегая при этом дефектов».

После остывания пряди стекло снимается и соединяется с полимерной трубкой и металлическими проволоками. После еще одного цикла нагрева материалы вытягиваются, образуя гибкую нить толщиной с волос.

В лабораторных экспериментах полупроводниковые волокна показали отличные характеристики. При испытаниях на чувствительность волокна смогли обнаруживать весь диапазон видимого света, от ультрафиолетового до инфракрасного, и надежно передавать сигналы с полосой пропускания до 350 килогерц (кГц), что делает их лучшими в своем роде. При этом волокна были в 30 раз прочнее обычных.

Волокна также оценивали на их пригодность к стирке: ткань, сотканную из полупроводниковых волокон, чистили в стиральной машине 10 раз, и результаты не показали существенного снижения характеристик волокна.

Соруководящий исследователь, заслуженный профессор университета Гао Хуацзянь, который завершил исследование во время учебы в НТУ, сказал: «Кремний и германий — два широко используемых полупроводника, которые обычно считаются очень хрупкими и склонными к разрушению.

«Изготовление сверхдлинного полупроводникового волокна демонстрирует возможность и целесообразность изготовления гибких компонентов с использованием кремния и германия, предоставляя обширное пространство для разработки гибких носимых устройств различной формы.

«Далее наша команда будет работать совместно, чтобы применить метод производства волокон к другим сложным материалам и обнаружить больше сценариев, в которых волокна играют ключевую роль».

Совместимость с отраслевыми методами производства намекает на легкость внедрения.

Чтобы продемонстрировать возможность использования в реальных приложениях, команда создала интеллектуальную носимую электронику, используя недавно созданные полупроводниковые волокна. К ним относятся шапка, свитер и часы, способные обнаруживать и обрабатывать сигналы.

Чтобы создать устройство, которое помогает слабовидящим людям переходить оживленные дороги, команда NTU вплела волокна в шапку вместе с интерфейсной платой. При экспериментальном тестировании на открытом воздухе световые сигналы, полученные шапкой, отправлялись в приложение мобильного телефона, вызывая оповещение.

Между тем рубашка, сотканная из этих волокон, выполняла функцию «умного топа», который можно было носить в музее или художественной галерее, чтобы получать информацию об экспонатах и ​​передавать ее в наушник, когда владелец ходил по комнатам.

Умные часы с браслетом, интегрированным с волокнами, функционировали как гибкий и конформный датчик для измерения частоты сердечных сокращений, в отличие от традиционных конструкций, в которых жесткий датчик установлен на корпусе умных часов, что может быть ненадежным в обстоятельствах, когда пользователи очень активен, и датчик не контактирует с кожей.

Более того, волокна заменили громоздкие датчики в корпусе умных часов, сэкономив место и освободив возможности для дизайна более тонких часов.

Соавтор доктор Ли Донг, научный сотрудник Школы машиностроения и аэрокосмической техники, сказал: «Наш метод изготовления волокон универсален и легко применяется в промышленности. Волокно также совместимо с современным оборудованием текстильной промышленности, то есть оно обладает потенциал для крупномасштабного производства.

«Демонстрируя использование волокон в предметах повседневного ношения, таких как шапки и часы, мы доказываем, что результаты наших исследований могут послужить руководством для создания функциональных полупроводниковых волокон в будущем».

В качестве следующих шагов исследователи планируют расширить типы материалов, используемых для изготовления волокон, и разработать полупроводники с различными полыми сердцевинами, например, прямоугольной и треугольной формы, чтобы расширить их применение.

Ученые разрабатывают ультратонкие полупроводниковые волокна, которые превращают ткани в носимую электронику

Понравилась новость - поделитесь с Друзьями!

Новости партнеров:

Рубрика: IT, Наука, Новости

Вам могло бы понравиться:

Соединение выращенных в лаборатории клеток мозга дает представление о том, как работает наш мозг Соединение выращенных в лаборатории клеток мозга дает представление о том, как работает наш мозг
Первая в России мультимодальная модель искусственного интеллекта –– в открытом доступе    Первая в России мультимодальная модель искусственного интеллекта –– в открытом доступе  
НИЯУ МИФИ проведет Всероссийскую олимпиаду для учителей физики «Лига лучших» НИЯУ МИФИ проведет Всероссийскую олимпиаду для учителей физики «Лига лучших»
Россияне предпочли восстановленные iPhone другим брендам Россияне предпочли восстановленные iPhone другим брендам

Оставить комментарий

Вы должны Войти, чтобы оставить комментарий.

©2015 - 2024 Актуальные Новости Сегодня. Все права защищены.
При копировании материалов активная гиперссылка на этот сайт ОБЯЗАТЕЛЬНА!