Bioingenieure entwickeln Spinnennetz

Der Fortschritt könnte zu energieeffizienten, kostengünstigen intelligenten Textilien führen

Jun Chen/UCLA

Eine Illustration, die einen von einem Spinnennetz inspirierten Prozess zur Herstellung leitfähiger Fasern zeigt

31. Mai 2023

Mit einem neuen Verfahren, das nachahmt, wie Spinnen Seide spinnen, hat ein von der UCLA geleitetes Team multiinstitutioneller Bioingenieure ein einfaches Verfahren zur Herstellung weicher, elektrisch leitfähiger Fasern bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck entwickelt.

In einer veröffentlichten Studieals Titelgeschichte in Nature Electronics , demonstrierten die Forscher ihre Technik mit einem Sensorhandschuh und einer intelligenten Gesichtsmaske, die aus dehnbaren und langlebigen Stoffen hergestellt wurden. Der Handschuh kann Temperaturen und Handbewegungen erfassen, sodass der Benutzer ein „Stein-Schere-Papier“-Computerspiel spielen kann, während die Maske in der Lage ist, die Atemmuster der Person zu überwachen.

Bestehende Methoden zur Herstellung elektrisch leitfähiger Fasern sind kostspielig und komplex und erfordern hohe Temperaturen, Energieverbrauch, Lösungsmittelmengen und spezielle Faserspinngeräte.

„Wir wollten einen hocheffizienten und kostengünstigen Herstellungsprozess für elektrisch leitfähige Fasern entwickeln, der viel einfacher zu implementieren ist und modernste Prozesse zur Herstellung leitfähiger 2D-Blätter und 3D-Objekte widerspiegelt“, sagte der Mitautor Jun Chen, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der UCLA Samueli School of Engineering. „Mit diesem neuen Ansatz können wir leitfähige Weichfasern mit hoher Effizienz und geringen Kosten herstellen.“

Die Fasern bestehen aus Polyacrylnitril – einer Art synthetischem Polymer – und Silberionen, die den Fasern ihre elektrisch leitenden Eigenschaften verleihen. Die kombinierten Inhaltsstoffe werden dann in Dimethylformamid oder DMF gelöst, einem üblichen Lösungsmittel, das bei der Herstellung synthetischer Fasern verwendet wird.

„Wir wollten einen hocheffizienten und kostengünstigen Herstellungsprozess für elektrisch leitfähige Fasern entwickeln, der viel einfacher zu implementieren ist und modernste Prozesse zur Herstellung leitfähiger 2D-Blätter und 3D-Objekte widerspiegelt“, sagte der Mitautor Jun Chen.

Um den Wasserdampf aus der Umgebungsluft dabei zu unterstützen, das flüssige Lösungsmittel herauszuziehen, wird die Lösung auf einer rotierenden Platte gedreht, wodurch ein Netzwerk aus Polyacrylnitrilmolekülen und Silberionen entsteht, das die Forscher PANSIon nennen. Die dehnbaren, freistehenden PANSion-Fasern lassen sich dann in weniger als einer Minute aus der Platte herausziehen. Diese Aktion ähnelt der Art und Weise, wie Spinnen Netze herstellen, indem sie flüssige Proteine ​​zu Seidenfäden spinnen. Die resultierenden Fasern ähneln in ihrer Dehnbarkeit Gummi und sind so stark wie Baumwollfasern.

Den Forschern zufolge bieten ihre Fasern eine starke elektrische Leitfähigkeit, die Atmung, Temperatur und Berührung wahrnehmen kann. Bei der Verwendung in intelligenten Textilien können die Fasern Energie-, Sensor- und therapeutische Anwendungen haben, beispielsweise eine OP-Maske, die die Atmung einer Person mit Schlafapnoe die ganze Nacht über verfolgt.

Der erste Autor der Forschung ist Songlin Zhang, ein ehemaliger Postdoktorand inChens Wearable Bioelectronics Research Group an der UCLAder jetzt an der National University of Singapore ist.

Weitere UCLA-Autoren sind Yihao Zhou, Alberto Libanori und Xun Zhao – allesamt aktuelle und ehemalige Mitglieder von Chens Forschungsgruppe. Weitere Autoren stammen von der National University of Singapore sowie der Nanjing University und der Jilin University in China. Die Forschung wurde durch eine Startfinanzierung der UCLA Samueli, einen Hellman Fellows Research Grant, einen UCLA Pandemic Resources Program Research Award und einen Research Recovery Grant unterstützt vom Akademischen Senat der UCLA. Zusätzliche Unterstützung kam von der Brain & Behavior Research Foundation und dem West Coast Consortium for Technology & Innovation in Pediatrics am Children's Hospital Los Angeles.