نسل بعدی پارچه‌های هوشمند چیست؟
پارچه‌های هوشمند برای اولین بار در اوایل دهه 1990، به منظور افزودن ارزش به منسوجات معمولی از طریق برقراری ارتباطات، تغییر شکل و هدایت انرژی (در نتیجه واکنش به محیط خارج از بدن مثل گرم نگه داشتن بدن در آب و هوای سرد و خنک نگه داشتن در محیط‌های گرم) مورد توجه قرار گرفت.
رشته پزشکی پیش از این، از پارچه‌های هوشمند به عنوان فرآیندی برای پایش درجه‌حرارت بدن، ضربان قلب و یا سایر علایم حیاتی استفاده می‌کرد که هشدارهایی درباره شرایط سلامتی ارائه می‌داد. پارچه‌های هوشمند با توجه به عملکردشان به سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛
1. نسل اول: پارچه‌های هوشمند منفعل که از حسگرهایی تشکیل شده‌اند که می‌توانند اطلاعات مربوط به محیط اطراف را جمع‌آوری نمایند.
2. نسل دوم: پارچه‌های هوشمند فعال که هم از حسگرها و هم محرک‌ها تشکیل شده‌اند که می‌توانند شکل، دمای کنترل و حرارت پارچه را حفظ کنند.
3. نسل سوم: پارچه‌های بسیار هوشمند پیشرفته که مانند یک رایانه کوچک داخلی کار می‌کنند و می‌توانند انواع داده متمایز را درک و تفسیر کنند و مواد را با توجه به شرایط خارجی متناسب سازند.
مواد مورد استفاده در پارچه‌های هوشمند
در حال حاضر بسیاری از پژوهشگران در حال تحقیق و توسعه بر روی مواد کامپوزیتی برای تولید نسل بعدی پارچه‌های هوشمند هستند.
در گذشته، پارچه‌های رسانا با استفاده از پیچش الیاف در سیم نازک فلزی و یا استفاده از مدارهای چسبی بر روی سطح، ساخته می‌شد. با این حال، مشکل اصلی این پارچه‌ها عدم قابلیت شستشو در دمای بالا و همینطور عدم کشسانی بود.
در سال ۲۰۱۸ یک استارت‌آپ بریتانیایی به نام پیرتا (Pireta) راه‌حلی برای این مشکلات ارائه داد که شامل پوشش دادن هر فیبر با لایه‌ای از مس به ضخامت ۲ نانومتر به صورت مستقیم بر روی هر نوع پارچه، مانند پارچه های بافته‌شده یا نبافته، طبیعی یا سنتزی بود. آنها موفق شدند با این روش ویژگی‌های اصلی مورد انتظار از پارچه مثل تنفس‌پذیری و قابلیت کشش را حفظ کنند.
تحقیقات اخیر ادعا می‌کند که فیلم ساخته‌شده از نانولوله‌های کربنی کوچک، ویژگی‌های حرارتی، الکتریکی و فیزیکی فوق‌العاده‌ای را نشان می‌دهد که آن را به گزینه جذابی برای نسل بعدی پارچه‌های هوشمند تبدیل می‌کند.
نانولوله‌های کربنی (CNTs) چیست؟
نانولوله‌های کربنی شبه یک بعدی، مولکول‌های استوانه‌ای هستند که از ورق‌های نورد شده گرافن تک لایه تشکیل شده‌اند. آنها می‌توانند تک جداره (SWCNT) با قطر کم‌تر از ۱ نانومتر یا چند جداره (MWCNT) با قطر به بیش از ۱۰۰ نانومتر باشند.
اتم‌های کربن با پیوند کووالانسی بوسیله اوربیتال‌های مولکولی sp2 با چهار الکترون ظرفیت آزاد که به شدت متحرک هستند در دسترس است تا خواص رسانایی زیاد و استحکام بالا را در آنها ایجاد کند.
اگر چه نانولوله‌های کربنی چند جداره دارای سطح رسانایی یکسانی با فلزات هستند، اما نانولوله‌های کربنی تک جداره می‌توانند بسته بر حسب آرایش اتم‌های کربنی مقطع لوله، که به شکل دسته صندلی (Armchair)، زیگزاگ (Zigzag) و کایرال (chiral) است به صورت رسانا، نیمه رسانا و یا نارسانا باشند.
گفته می‌شود نانولوله‌های کربنی استحکام کشش مکانیکی ۴۰۰ برابر بیش از فولاد و رسانایی حرارتی بهتری نسبت به الماس دارند. آنها همچنین از نظر شیمیایی پایدار هستند و در برابر هرگونه اثر شیمیایی مقاومت می‌کنند، مگر اینکه در معرض دمای بالا و اکسیژن زیاد قرار بگیرند. این ویژگی‌های مطلوب، نانولوله‌های کربنی را برای بسیاری از کاربردها نظیر پارچه‌های هوشمند به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل کرده است.
نقش نانولوله‌های کربنی در نسل بعدی پارچه‌های هوشمند
خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی منحصر به فرد نانولوله‌های کربنی بسیار سبک‌وزن، باعث شده آنها بتوانند در توسعه مواد کامپوزیتی جدید در زمینه فناوری پارچه‌های هوشمند استفاده شوند. این امر آنها را به گزینه اصلی در توسعه حسگرها و اجزای الکترونیکی بسیار نازک تبدیل کرده است.
یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه دلاویر با استفاده از پوشش‌های کامپوزیتی نانولوله‌های کربنی نسل بعدی منسوجات هوشمند را در طیف گستره‌ای از الیاف، از جمله پنبه، نایلون و پشم، به نمایش گذاشت. حسگر تهیه شده با این پوشش را می‌توان به راحتی در زیره کفش قرار داد یا برای تشخیص تغییرات الکتریکی در حین حرکت انسان به لباس دوخت.
آینده نسل بعدی پارچه‌های هوشمند
کاربران نسل بعدی پارچه‌ها به پارچه‌هایی انعطاف‌پذیر، پایدار، ساده، فاقد عناصر سمی و با هزینه‌های کم نیاز دارند که دارای ویژگی‌های گرمایش و سرمایش موثر و کارامد نیز باشند.
دانشمندان ثابت کرده‌اند که نانولوله‌های کربنی می‌تواند یک ماده ترموالکتریک بالقوه مقرون‌به‌صرفه باشد که هنگامی که یک منبع خارجی جریان اعمال می‌شود گرما را از بدن دور و یا به سمت بدن جذب کند. این ویژگی‌های برجسته می‌تواند به پژوهش‌های بیشتر در زمینه ایجاد قابلیت بسیار مفید برداشت انرژی کمک کند و علاوه بر این، برای گسترش منسوجات رسانای جدید مبتنی بر پارچه در بازار مفید واقع شود.