Leuchtende Fäden für smarte Textilien - wissenschaft.de
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Leuchtende Fäden für smarte Textilien

Diodenfaser
Diese Leuchtdioden sind direkt in die Kunstfaser integriert. (Foto: Greg Hren/ Michael Rein, Yoel Fink)

Davon träumen Nerds, Materialforscher und auch Modedesigner schon lange: Sie wünschen sich eine einfache und haltbare Möglichkeit, Elektronik in Kleidung zu integrieren. Jetzt haben Forscher eine Methode entwickelt, die genau das ermöglichen könnte. Bei dieser werden Dioden schon vor dem Ausziehen der Kunstfasern zu langen Fäden in das Rohmaterial integriert. Das Ergebnis ist eine Kunstfaser, deren Elektronik im Inneren komplett geschützt und eigenständig arbeitet. Sogar Waschgänge oder ein längeres Untertauchen überstehen diese neuartigen Technikfasern problemlos, wie erste Tests belegen.

Ob farbig leuchtende T-Shirts, sensorbestückte Jacken oder andere elektronisch „aufgerüstete“ Kleidungsstücke – schon länger suchen Forscher nach Methoden, um Elektronik in Kleidung zu integrieren. Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile und die Entwicklung flexibler Elektronikkomponenten hat es möglich gemacht, erste Textilien „intelligent“ zu machen. Bei ihnen werden meist flexible Leiterbahnen aus Aluminium, Kupfer oder speziellen organischen Lichtemittern in das textile Gewebe eingewoben. Das Problem jedoch: Bisher sind die meisten dieser „smarten“ Textilien nur bedingt wasserfest und sie müssen nachträglich als zusätzliche Bauteile in das Gewebe eingebracht werden. Eine Möglichkeit, beispielsweise Leuchtdioden oder Photosensoren auf Diodenbasis direkt in synthetische Textilfasern zu integrieren, fehlte weitgehend – auch weil diese Kunstfasern unter zu großer Hitze zu Fäden ausgezogen werden.

Im Inneren der Kunstfaser

Jetzt jedoch haben Michael Rein vom Massachusetts Institute of Technology und sein Team eine Lösung für dieses Problem entwickelt. „Unser Ansatz bietet einen Weg, um auf einfache Weise noch komplexere Funktionen in Fasern zu integrieren“, so die Forscher. Ausgangspunkt für ihre Technik ist die sogenannte Preform – ein dünner Kunststoffstab von 2,5 Zentimetern Dicke und Dutzenden Zentimetern Länge. Aus ihm wird in den Textilfabriken unter Hitzeeinwirkung die weniger als einen Millimeter dünne Kunstfaser gezogen. Aus einem Preform entsteht so ein Faden von mehreren Kilometern Länge. In diesen Rohling haben die Wissenschaftler nun ihre Elektronik integriert. Zwei haarfeine, extrem lange Kupfer- oder Wolframleitungen werden dafür in zwei getrennte Längskanäle in der Preform eingeführt, außerdem in bestimmten Abständen Dutzende von Leuchtdioden oder Dioden-Photosensoren.

„Wenn nun die Preform erhitzt und zur Faser ausgezogen wird, nähern sich durch das Dünnerwerden der Faser die Leiterbahnen den Dioden an, bis sie elektrisch in Kontakt sind“, erklären Rein und seine Kollegen. „Das Resultat sind hunderte von Dioden, die über parallele Leitungen im Inneren einer einzigen Faser verbunden sind.“ Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die nur kurze Faserlängen erlauben, könne man mit diesem Verfahren mehrere Kilometer dieser Funktionsfaser aus einer Preform erzeugen. Die so erzeugten Kunstfasern lassen sich ganz normal zu Synthetikstoffen und Kleidung verweben, wie Versuche belegten. Der Clou dabei: Weil die Elektronik komplett vom Polymer der Kunstfaser eingeschlossen ist, sind diese Elektronikfasern sehr robust und absolut wasserdicht, wie die Forscher berichten. In Tests überstanden die Elektroniktextilien wochenlanges Untertauchen und sogar zehn Waschgänge in der Waschmaschine ohne Schäden oder Funktionseinbußen.

Lichtgeber, Sensor und Pulsmesser

„Damit haben wir eine ganz neue Möglichkeit, um hochleistungsfähige Halbleiter-Bauteile in Textilfasern zu integrieren“, konstatieren die Wissenschaftler. „Das ebnet den Weg zu immer funktionaleren Fasern und Textilsystemen.“ Wozu die „smarten“ Fasern fähig sind, haben sie in mehreren Experimenten demonstriert. So produzierten sie eine Kunstfaser mit mehreren roten Leuchtdioden, eine andere mit Photosensoren und platzierten beide in einem Meter Abstand voneinander. Als nun die Leuchtfaser Lichtsignale emittierte, empfing die Sensorfaser diese – eine Kommunikation von einem „smarten“ Textil zum anderen ist somit möglich. In einem weiteren Test legten die Forscher einige Kunstfasern mit Photosensoren in ein Aquarium. Von außen übermittelte eine Lampe die in optische Signale übersetzte Melodie von Händels „Wassermusik“. Und tatsächlich: Die Sensorfasern im Wasser registrierten die Lichtsignale und wandelten sie ihrerseits wieder in elektrische Signale um, die von externen Lautsprechern als Musik ausgesendet wurden.

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Dass diese „intelligenten“ Fasern auch für medizinische Funktionstextilien geeignet sind, zeigte ein weiteres Experiment. In diesem kombinierten die Forscher eine Leucht- und eine Sensorfaser zu einem Pulsmesser: Legte die Versuchsperson den Finger auf beide Fasern, erzeugte der wechselnde Blutfluss in den Adern Helligkeitsschwankungen des Lichts, die die Sensorfaser registrierte. „Wir glauben, dass diese Technologie ganz neue Fortschritte im Textil- und Bekleidungsbereich, in der Telekommunikation, aber auch in Medizin und Lebenswissenschaften ermöglichen wird“, konstatieren Rein und seine Kollegen. Sie sind bereits dabei, ihr Verfahren für den industriellen Maßstab zu optimieren und stehen schon in Verhandlungen mit Textilherstellern.

Quelle: Michael Rein (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0390-x

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