Nilon tampaknya menjadi bahan pilihan untuk tekstil piezoelektrik, karena industri tekstil berbasis nilon telah sangat matang, dan nilon juga memiliki fase kristal piezoelektrik yang nyaman. Jika Anda mengetuknya, Anda akan mendapatkan akumulasi biaya yang sempurna. Tekanan merasakan dan memanen energi dari gerakan lingkungan.
Namun, tidak mudah untuk membentuk nilon menjadi serat sambil memberinya struktur kristal piezoelektrik. Kamal Asadi, seorang peneliti di Max Planck Institute for Polymer Research di Jerman dan seorang profesor di University of Bath di Inggris, menjelaskan: "Ini hampir merupakan tantangan selama setengah abad." Dalam laporan "Materi Fungsional Lanjutan" baru-baru ini, ia dan kolaborator-Nya menggambarkan bagaimana mereka memecahkan masalah.
Fase piezoelektrik nilon tidak hanya menarik bagi tekstil elektronik, tetapi juga menarik bagi berbagai perangkat elektronik, terutama untuk keramik piezoelektrik tradisional dengan kerapian tinggi. Namun, selama beberapa dekade, satu-satunya cara untuk menghasilkan nilon kristal dengan respons piezoelektrik yang kuat adalah mencairkannya, mendinginkannya dengan cepat, dan kemudian meregangkannya untuk mengembun menjadi fase δ yang halus. Struktur yang dihasilkan biasanya tebal puluhan mikron, yang terlalu tebal untuk peralatan elektronik atau aplikasi tekstil elektronik.
Adanya "perilaku piezoelektrik" berasal dari kelompok-kelompok di tengah-tengah unit berulang dalam rantai polimer nilon dan interaksi antara mereka dan kelompok amide pada rantai yang berdekatan. Ketika ini di tengah-tengah bebas menyelaraskan dipoles mereka dengan medan listrik, adalah mungkin untuk mengambil keuntungan dari efek piezoelektrik dalam bahan, yang pertama kali diamati pada awal 1980-an. Namun, apa yang terjadi di sebagian besar fase kristal nilon adalah bahwa amida ini membentuk ikatan hidrogen yang kuat dengan amida pada rantai polimer lainnya, mengunci posisi mereka dan mencegah mereka dari reorientasi dan penyelarasan. Oleh karena itu, tantangan yang kita hadapi adalah menemukan cara untuk menghasilkan fase yang memungkinkan amida untuk berorientasi bebas tanpa membatasi morfologi yang dihasilkannya selama mencair, mendinginkan, dan meregang.
Ketika sebagian besar kelompok penelitian di dunia telah menyerah pada upaya untuk memproduksi film atau serat piezoelektrik pada 1990-an, kelompok Asadi datang ke "mahasiswa insinyur tekstil yang luar biasa" Saleem Anwar, yang mendorong Asadi untuk memperhatikan masalah ini. . Para peneliti pertama kali mempertimbangkan faktor-faktor dasar untuk memproduksi nilon dalam fase dengan sifat piezoelektrik yang kuat. Metode pencairan, pendinginan dan peregangan tergantung pada nilon pendinginan yang cepat, sehingga Asadi dan Anwar dan kolaborator mereka mempelajari cara mendapatkan efek yang sama dengan melarutkan nilon dalam pelarut dan kemudian dengan cepat mengekstraksi pelarut. Namun, pelarut cenderung melarutkan nilon dengan menyerang ikatan hidrogen antara amida dan membentuk ikatan hidrogen di posisi mereka, sehingga hampir tidak mungkin untuk menyingkirkan pelarut.
Suatu hari, ketika Anwar menggunakan aseton untuk membersihkan setelah percobaan, dia memberi tahu Asadi pengamatan aneh bahwa ia telah mencoba menggunakan asam trifluoroacetic (TFA) sebagai pelarut untuk memproduksi film nilon dan membuat terobosan. Larutan nilon yang meluap menjadi transparan. Tim menduga bahwa transparansi tiba-tiba harus menunjukkan reaksi, sehingga mereka menggunakan asam trifluoroacetic dan aseton untuk membuat solusi dan mencoba menggunakannya untuk memproses nilon. Benar saja, minggu berikutnya, para peneliti memperoleh hasil yang diinginkan.
Anwar secara tidak sengaja menemukan ikatan hidrogen antara aseton dan TFA, yang merupakan salah satu ikatan hidrogen terkuat yang dikenal dalam komunitas ilmiah. Oleh karena itu, ketika para peneliti menyebarkan solusi pada substrat vakum tinggi untuk menguapkan pelarut, seperti yang dikatakan Asadi: "Hampir seperti aseton memegang molekul TFA di tangan, membawa mereka keluar dari nilon, menciptakan fase kristal piezoelektrik."
Peneliti adalah yang pertama memproduksi film nilon dengan respons piezoelektrik yang kuat. Tetapi ini tidak sepenuhnya menyelesaikan masalah memproduksi serat, karena metode produksi masih tidak kompatibel dengan vakum tinggi. Jadi mereka mempelajari cara lain untuk mengontrol tingkat ekstraksi pelarut. Mereka berfokus pada produksi serat dengan elektrospinning. Dalam proses elektrospinning, medan listrik menarik larutan polimer ke dalam serat dengan diameter sekecil puluhan nanometer lebarnya. Rasio luas permukaan yang tinggi dari serat menghasilkan ekstraksi pelarut tinggi. Tingkat. Kemudian, kuncinya adalah menyeimbangkan ini dengan viskositas larutan polimer dan kondisi elektrospinning sehingga faktor lain tidak mencegah pembentukan serat dalam tahap δ'.
Para peneliti telah menemukan bahwa serat selebar sekitar 200 nanometer memiliki "titik manis" di antara faktor-faktor yang bersaing. Hasil pengukuran potensi yang dihasilkan di bawah guncangan mekanis berkala dengan frekuensi 8 Hz menunjukkan bahwa serat fase δ 200 nanometer menghasilkan 6 V, sementara serat yang lebih sempit menghasilkan kurang dari 0,6 V karena lebar ini. Faktor-faktor yang terkait dengan kesempitan menyebabkan fase yang dibentuk oleh serat tidak memiliki respons piezoelektrik.
Bahkan, dalam serat lebar sekitar 1000nm, serat terlalu tebal untuk mengekstrak pelarut secara efisien dan cepat. Nilon membentuk fase γ dengan hanya respon piezoelektrik yang lemah. Dalam serat yang lebih tebal, respons piezoelektrik dari fase γ buruk, yang dikompensasi sampai batas tertentu oleh volume serat yang lebih besar, yang menghasilkan potensi 4V. Namun, serat fase δ'δ 200nm masih memiliki keunggulan dari respons yang lebih sensitif.
