Исследователи из Национального университета Сингапура совместно с коллегами из Университета Саутгемптона в Великобритании и Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали умные волокна, устойчивые к растяжению и способные подстраиваться под внешние условия. Это решение устраняет одну из ключевых проблем носимой электроники – искажение сигнала и потери энергии при движении. Обычно при растяжении проводника его сопротивление увеличивается, что ведет не только к ослаблению сигнала, но и к дополнительным энергетическим потерям. В новом материале поведение можно задать заранее: при деформации волокно либо сохраняет стабильную проводимость, либо даже улучшает ее в зависимости от выбранного режима.
В основе инновации лежит жидкий металл – эвтектический сплав галлия и индия, сохраняющий текучесть при комнатной температуре. Микроскопические капли металла смешали с эластичным полиуретаном и с помощью коаксиального мокрого прядения сформировали волокно типа «оболочка – ядро». Внешний слой из полиуретана изолирует проводящую сердцевину, предотвращает утечки и обеспечивает механическую прочность. Полученная нить по своим свойствам близка к обычной пряже: ее можно сгибать, завязывать в узлы и вшивать в ткань стандартными методами.
Главное открытие ученых состоит в том, что механическое поведение волокна можно менять с помощью предварительного растяжения. Если волокно заранее растянуть примерно на 50%, то при дальнейшей деформации его сопротивление будет снижаться, что повышает эффективность передачи энергии. Если растянуть сильнее (до 150%), сопротивление, наоборот, будет расти, как у обычных проводников. При промежуточном значении материал становится практически нечувствительным к растяжению: его сопротивление меняется менее чем на 1,2% даже при двукратном удлинении. Это критически важно для энергетических приложений, где стабильность параметров напрямую влияет на потери. Такой эффект достигается за счет того, что при растяжении капли жидкого металла начинают сильнее соприкасаться друг с другом, а их защитная оксидная пленка лопается, позволяя каплям сливаться и создавать все более разветвленные проводящие пути.
Исследователи не только зафиксировали этот эффект, но и описали его математически. Они предложили модель, которая связывает сопротивление с величиной деформации, долей жидкого металла и механическими параметрами материала. Она учитывает два конкурирующих механизма: улучшение проводимости за счет контакта и слияния частиц и ухудшение за счет геометрического удлинения. Модель хорошо совпадает с экспериментами и позволяет заранее рассчитывать свойства волокна, в том числе с точки зрения энергоэффективности.
Практическое применение технологии было продемонстрировано сразу в трех направлениях.
В одном случае показано управление устройствами с помощью движений. Используются два волокна с разной реакцией на растяжение: одно при сгибании начинает проводить ток хуже, другое – лучше. Когда человек сгибает палец, оба волокна реагируют по-разному, и система фиксирует это как простой цифровой сигнал – «0» или «1». По сути, движение превращается в двоичный код, за счет которого можно управлять устройствами или передавать команды без сложной обработки сигнала.
В другом варианте такие волокна применили для передачи энергии и данных. Волокно настраивают так, чтобы его свойства почти не менялись при растяжении, что позволяет минимизировать потери энергии. Из него можно делать тканевые антенны, вшивая их в одежду. В эксперименте такая антенна стабильно передавала сигнал на смартфон при растяжении до 60%, после стирки и при высокой влажности. Это означает, что одежда может выступать не только как интерфейс связи, но и как элемент распределенной энергетической инфраструктуры носимых устройств.
Наконец, материал показал себя в задачах нагрева. В обычной «греющей» одежде при растяжении меняется сопротивление, из-за чего температура распределяется неравномерно и снижается энергетическая эффективность. В случае с новыми нитями этот эффект был устранен: волокно сохраняло стабильные характеристики, а значит, и стабильное энергопотребление, и ткань нагревалась равномерно вне зависимости от движения человека.
При этом эксперименты показали долговечность нового материала: он выдерживает более 10 000 циклов растяжения без потери свойств, что делает его пригодным для длительного использования в энергетических и носимых системах.
