新材料：研究者が電気伝導性のある新しい綿繊維を開発

研究者は綿花の柔軟性とポリマーポリアニリンの導電性を兼ね備えた新しい繊維を開発した。この革新的な材料は『炭水化物ポリマー』（CarbohydratePolymers）誌に詳しく紹介されており、それはウェアラブル電子織物を製造する潜在力を示しており、健康モニタリングや危険暴露検査などの応用に用いることができる。

ワシントン州立大学が開発した単一ストランド繊維は、綿花の柔軟性とポリアニリンと呼ばれるポリマーの導電性を同時に備えており、着用可能な電子織物における大きな潜在力を示している。ワシントン州立大学の研究者はLEDランプ給電のシステムと別のアンモニアを感知するシステムはこの繊維をテストし、「炭水化物ポリマー」誌で彼らの研究成果を詳しく紹介した。

新たに開発された繊維の顕微鏡像は、並んで混合された一方の面が綿であり、他方の面には電流を運ぶことができるポリアニリンポリマーが含まれていることを示している。出所：ワシントン州立大学

ワシントン州立大学織物研究員で同研究の通信著者である劉航氏は、「私たちは1つの繊維を2つの部分に分けた。1つは伝統的な綿で、柔軟性と強度は日常的な使用を満たすのに十分で、もう1つは導電材料だ。綿は導電材料を支持することができ、導電材料は必要な機能を提供することができる」と述べた。

ウェアラブル技術の潜在的な応用

さらに多くの開発作業が必要だが、研究者の考えでは、このような繊維を衣類に集積し、フレキシブルな回路を持つセンサーパッチとしている。これらのパッチは、消防士、兵士、または化学品を処理する労働者の制服の一部となり、危険物質に接触しているかどうかを検出することができる。他のアプリケーションには、現在のフィットネスモニターよりも多くのことができる健康モニタリングやスポーツシャツも含まれています。

劉氏は、「スマートウォッチはあなたの運動や人体のバイタルサインを追跡することができるなど、現在いくつかのスマートウェアラブルデバイスを持っているが、将来的にはあなたの日常着にもこれらの機能を実現してほしい。ファッションは多くの人が思っているように色やデザインだけではなく、ファッションは科学そのものだ」と話した。

ワシントン州立大学織物研究員の劉航。出所：ワシントン州立大学ディーン・ハール

技術的課題とソリューション

この研究では、ワシントン州立大学チームは導電性ポリマーと綿セルロースを混合するという難題を克服しようと努力している。ポリマーは繰り返しパターンを持つ高分子物質である。この場合、研究者はポリアニリン（PANI）、これは導電性を有する合成ポリマーであり、プリント基板製造などの用途に使用されている。

ポリアニリン自体は導電性を持っているが、脆く繊維にはならない。この問題を解決するために、西シドニー大学の研究者は回収されたTシャツから抽出された綿セルロースは溶液に溶解し、導電性ポリマーを別の別の溶液に溶解する。次に、2つの溶液を並べて結合し、材料を押し出して繊維を作製した。

ワシントン州立大学織物研究員Hang Liu新開発繊維の顕微鏡像を見ると、画像は繊維が並んで混合されており、一方は綿であり、他方は電流を運ぶことができるポリアニリンポリマーを含んでいることを示している。出所：ワシントン州立大学ディーン・ハール

結果は界面結合が良好であることを示し、これは異なる材料の分子が延伸と曲げの過程で共に維持でき、綿セルロースとポリアニリンの界面で適切な混合を実現するのは微妙なバランスであることを意味する。

劉氏は、「綿花と導電性ポリマーが接触すると、ある程度混合して接着剤を形成することができるように、この2つの溶液が機能することを望んでいるが、あまり混合してほしくない。そうしないと導電性が低下する」と話した。

参考文献：「ウェアラブルエレクトロニクス織物に用いられるセルロース系導電性複合繊維の新しい構造設計」、著者：Wangcheng Liu、Hang Liu、ZihuiZhao、Dan Liang、Wei-Hong Zhong、Jinwen Zhang、2023年8月18日、「炭水化物ポリマー」。