Oamenii de știință de la Nanyang Technological University Singapore au dezvoltat fibre semiconductoare ultra-subțiri, care pot fi țesute în țesături, transformându-le în dispozitive electronice inteligente, purtabile. Rezultatele lor au fost prezentate într-un articol publicat în revista Nature.
Au mai fost realizate, în trecut, fibre semiconductoare care puteau fi integrate în țesături, dar ele erau prea puțin fiabile. Cercetătorii singaporezi au efectuat numeroase modelări și simulări pentru a identifica factorii care duc la scăderea fiabilității și au reușit să proiecteze un dispozitiv cu ajutorul căruia se pot obține fibre semiconductoare lungi de 100 m și care pot fi integrate în țesături folosind tehnologiile curente.
Pentru a demonstra calitatea și funcționalitatea înaltă a fibrelor lor, cercetătorii au realizat mai multe prototipuri. Printre ele a fost o pălărie inteligentă care poate ajuta o persoană cu deficiențe de vedere să traverseze drumul în siguranță, prin alerte generate o aplicație pentru telefonul mobil; o cămașă care primește informații și le transmite printr-o cască, putând fi folosită ca ghid audio de muzeu; și un smartwatch cu o curea care funcționează ca un senzor flexibil pentru măsurarea ritmului cardiac chiar și în timpul activităților fizice.
Cercetătorul Wei Lei, autorul principal al lucrării publicate în Nature, explica: „Fabricarea fibrelor semiconductoare este un proces extrem de complex, care necesită cunoștințe din partea experților în știința materialelor, mecanică și electrică, în diferite etape ale studiului. Efortul comun al echipei ne-a permis o înțelegere clară a mecanismelor implicate, ceea ce ne-a ajutat în cele din urmă să deschidem ușa către fibrelor semiconductoare fără defecte, depășind o provocare de lungă durată în tehnologia fibrelor”.
Pentru a-și dezvolta fibrele fără defecte, cercetătorii a selectat perechi de material semiconductor comun și material sintetic – un miez semiconductor din siliciu cu un tub de sticlă de siliciu și un miez din germaniu cu un tub de sticlă aluminosilicat. Materialele au fost selectate pe baza calităților lor care se completau reciproc. Acestea au inclus stabilitatea termică, conductibilitatea electrică și capacitatea de a permite curentului electric să treacă. Siliciul a fost selectat pentru capacitatea sa de a fi încălzit la temperaturi ridicate și manipulat fără a se degrada și pentru capacitatea sa de a funcționa în intervalul de lumină vizibilă, făcându-l ideal pentru utilizarea în dispozitive destinate condițiilor extreme, cum ar fi senzorii de pe îmbrăcămintea de protecție pentru pompieri. Germaniul, pe de altă parte, permite electronilor să se deplaseze rapid prin fibră și să lucreze în infraroșu, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații în senzori portabili sau pe bază de material. Apoi, cercetătorii au introdus materialul semiconductor (miezul) în interiorul tubului de sticlă, încălzindu-l la temperatură ridicată până când tubul și miezul au fost suficient de moi pentru a fi trase într-un fir continuu subțire.
Cercetătoruul Wang Zhixun, coautor al studiului publicat în Nature, a declarat: „A fost nevoie de analize ample înainte de a ajunge la combinația potrivită de materiale și la procesele necesare pentru a dezvolta fibrele noastre. Prin exploatarea diferitelor puncte de topire și a ratelor de dilatare termică am tras cu succes materialele semiconductoare în fire lungi pe măsură ce au intrat și ieșit din cuptorul de încălzire, evitând în același timp defectele.”
Sticla este îndepărtată odată ce șuvița se răcește și este combinată cu un tub de polimer și fire metalice. După o altă rundă de încălzire, materialele sunt trase pentru a forma un fir flexibil, subțire ca păr. În experimentele de laborator, fibrele semiconductoare au arătat performanțe excelente. Atunci când sunt supuse testelor de sensibilitate, fibrele ar pot detecta o gamă largă de unde din spectrul electromagnetic, de la ultraviolet la infraroșu. Ele mai pot transmite semnale electrice cu o lățime de bandă de până la 350 kHz. În plus, fibrele au fost de 30 de ori mai rezistente decât cele obișnuite. De asemenea fibrele au fost evaluate pentru lavabilitatea lor. o cârpă țesută cu fibre semiconductoare a fost curățată într-o mașină de spălat de 10 ori, iar rezultatele nu au arătat nicio scădere semnificativă a performanței fibrelor.
Pentru următorii pași, cercetătorii plănuiesc să extindă tipurile de materiale utilizate pentru fibre și să vină cu semiconductori cu diferite miezuri goale, cum ar fi forme dreptunghiulare și triunghiulare, pentru a-și extinde aplicațiile.
