Wyobraź sobie, że wędrujesz po górach, gdy uderza zamieć. Pomimo ciepłego płaszcza temperatura ciała zaczyna spadać. Ale nie bój się. Czujniki temperatury w płaszczu stają się zimniejsze, aktywując elementy grzewcze osadzone w tkaninie. Idealnie toasty, kontynuujesz wędrówkę.
Brzmi jak sprytny pomysł, prawda? Dlaczego to nie jest rzeczywistość? Jednym słowem baterie. Technologia akumulatorów nie rozwinęła się tak szybko, jak technologia noszenia, co oznacza, że urządzenia do noszenia - smartwatche, urządzenia fitness, czujniki medyczne osadzone w ubraniach - muszą być albo wyposażone w obszerne akumulatory, albo muszą być ładowane w regularnych odstępach czasu.
Teraz naukowcy w Wielkiej Brytanii opracowali nowe rozwiązanie, które może doprowadzić do rozwiązania: elastyczne, przypominające baterię urządzenie wykonane z grafenu, które można wydrukować bezpośrednio na prawie wszystkim.
„Możesz drukować baterie na elastycznym podłożu, takim jak tkaniny”, mówi Mohammad Nazmul Karim, pracownik National Graphene Institute na Uniwersytecie w Manchesterze. „I może być ładowany bardzo szybko”.
Urządzenia, ostatnio opisane w czasopiśmie 2D Materials, technicznie nie są akumulatorami, lecz superkondensatorami, które magazynują energię na swoich powierzchniach przez ładunki elektrostatyczne. Można je ładować niezwykle szybko w porównaniu z akumulatorami - w ciągu kilku sekund, a nie minut lub godzin - i nie tracą zdolności magazynowania energii w miarę upływu czasu, nawet po milionach ładunków.
Superkondensatory opracowane przez Karima i jego zespół wykonane są z grafenu, dwuwymiarowej sieci węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Naukowcy zastosowali podstawową technikę sitodruku do wydrukowania elastycznego superkondensatora atramentu tlenku grafenu na tkaninie bawełnianej. Materiał można nosić, naciągać, a nawet wrzucać do prania, nie niszcząc możliwości ładowania superkondensatora.
„Jeśli masz kawałek tkaniny i nakładasz grafen na ten materiał, nie tylko zapewnia on przewodzenie, ale także wzmacnia go”, mówi Karim.
Grafen może być rozciągany do 20 procent większy niż jego pierwotny rozmiar bez łamania. Jest to jeden z powodów, dla których uważa się go za tak obiecujący w przypadku noszenia na sobie, które musi poruszać się wraz z ciałem.
Początkowym celem zespołu jest wykorzystanie superkondensatorów grafenowych do czujników medycznych: monitorów serca do noszenia, czujników temperatury i czujników EEG do monitorowania snu i innych czynności mózgu. Karim szacuje, że może to nastąpić w ciągu zaledwie dwóch lub trzech lat. Inne zastosowania - ubrania do naładowania telefonu komórkowego, komputery do noszenia, a nawet kurtka stabilizująca temperaturę, którą opisałem - byłyby znacznie dalej.
Technologia noszenia - wszystko od smartwatche, monitorów fitness, aparatów do noszenia i wbudowanych w odzież czujników medycznych - to wielki biznes. Ostatnia analiza przeprowadzona przez CCS Insight sugeruje, że przemysł będzie wart około 34 miliardów dolarów do 2020 roku. Jednak ładowanie jest stałym problemem dla twórców urządzeń do noszenia. Nikt nie chce zdejmować opaski na rękę w celu naładowania w środku dnia. Poszukiwania lepszych akumulatorów i alternatywnych rozwiązań ładowania trwają od lat. Wiele firm postawiło na bezprzewodowe ładowanie jako falę przyszłości na urządzenia do noszenia - możesz po prostu wejść do kuchni i naładować urządzenie bezprzewodową ładowarką na ścianie podczas gotowania obiadu, nawet go nie zdejmując. Ale technologia jest wciąż bardzo w fazie rozwoju, a konsumenci zbyt długo się ogrzali do stosunkowo wolnych i drogich ładowarek bezprzewodowych dostępnych na rynku.
Karim ostrzega, że grafen też nie jest srebrną kulą.
„W grafenie jest dużo szumu i musimy być ostrożni”, mówi.
Jednym z głównych wyzwań jest wytwarzanie dużych ilości wysokiej jakości grafenu. Tani i łatwy w produkcji grafen o niższej jakości, który jest odpowiedni do niektórych zastosowań. Ale najlepsza jakość grafenu jest wciąż droga i pracochłonna w produkcji, nad czym pracują naukowcy.
„Utrzymanie wysokiej jakości grafenu w skalowalnej ilości to ogromne wyzwanie”, mówi Karim.
Kolejną wadą grafenu jest to, że nie przewodzi on elektryczności, a także metali. Tak więc chociaż superkondensatory na bazie grafenu są mocne i elastyczne, a względnie przyjazne dla środowiska, superkondensatory srebrne lub miedziane są bardziej przewodzące. W zależności od zastosowania jeden lub drugi może być preferowany.
Uważaj więc na to miejsce. Za dekadę lub dwie możemy opisywać nową kurtkę zimową z grafenowym superkondensatorem, idealną na następną podróż w Himalaje.
