導讀
近日，美國塔夫茨大學的工程師們開發出一種新的製造方法來創造染色的智能線。這些智能線在檢測到多種氣體時會改變顏色。將這些線編織成衣服，可在醫療、工作、軍事和救援環境中提供一種可重用、可洗滌、便宜、安全的產品。
背景
與其他傳統產業一樣，智能化也是傳統紡織產業的新興發展趨勢之一。智能織物，也稱“電子織物”、“智能服裝”，就是在這個背景下產生的一門新興的前沿科技。它是電子、傳感器、物聯網、新材料等新科技與傳統紡織技術融合的產物。
智能織物不僅可以由導電纖維、導電紗線、導電塗層、導電刺繡圖案、導電疊片等各種導電材料製成，還可包含傳感器、集成電路、LED、OLED、電池等各種電子器件。未來，智能衣服將為我們帶來許多出乎意料的功能，例如顯示、通信、儲能、感知、供電等。
三種不同的織物能將由拉扯或輕拍的動作產生的能量轉化為電能（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）
彈性觸敏纖維可作為人機接口使用（圖片來源：北卡羅來納州立大學）
能實現自供電、高度靈敏、可洗滌的智能織物（圖片來源：美國化學學會）
將OLED集成到織物中變成可穿戴的顯示器（圖片來源：KAIST）
可同時從陽光和運動中獲取能量為智能手機等電子產品供電的智能織物（圖片來源：喬治亞理工學院）
形狀可定製的織物超級電容（圖片來源：新加坡南洋理工大學）
具有通信功能的智能織物（圖片來源：MIT）
創新
今天，筆者要為大家介紹一種新的智能織物。這種智能織物探測器可用於公共健康、工作場所安全、軍事和救援等領域，並且無需設備和專業化訓練。
近日，美國塔夫茨大學（Tufts University）的工程師們開發出一種新的製造方法來創造染色的線。這些線在檢測到多種氣體時會改變顏色。研究人員們演示了這些線能夠通過視覺解讀，甚至通過智能手機攝像頭更精準地解讀，檢測到低至百萬分之五十的顏色變化。他們稱，將這些可檢測氣體的智能線編織成衣服，可在醫療、工作、軍事和救援環境中提供一種可重用、可洗滌、便宜、安全的產品。
這項研究於4月4日發表在《科學報告（Scientific Reports）》期刊上。這篇論文描述了製造方法，以及可拓展至各種染料和檢測複雜氣體混合物的能力。
技術
這項研究採用了一種基於錳的染料MnTPP、甲基紅、溴麝香草酚藍來論證這個概念。MnTPP和溴麝香草酚藍可檢測氨氣，而甲基紅可檢測氯化氫，這些氣體通常會在清潔用品、化肥、化學物質和材料生產時釋放出來。
下圖所示：具有感測功能的線通過溴麝香草酚藍（頂部的線）、甲基紅（中間的線）以及MnTPP（底部的線）製備，暴露於0 ppm (左邊部分) 、50 ppm (中間部分) 和1000 ppm (右邊部分)的氨氣中。
（圖片來源：塔夫茨大學）
研究人員通過三個步驟的處理將染料“捕捉”到線中。首先，這種線被浸入染料中，然後用乙酸處理，使表面變粗糙並使纖維膨脹，這樣會使染料與線之間產生更多的相互結合作用。最後，線會通過聚二甲硅氧烷（PDMS）處理，圍繞著線和染料創造出一層柔性的物理密封，它也可防水以及防止染料在清洗期間被過濾掉。重要的是，PDMS 也是透氣的，使得分析物可以接觸到光學染料。
可感知氣體、可洗滌的智能線的製作方案（圖片來源：參考資料【2】）
塔夫茨大學工學院教授、納米實驗室領頭人、這篇論文的通訊作者 Sameer Sonkusale 表示：“我們使用的染料有不同的工作方式，所以我們可以檢測出具有不同化學物質的氣體。” Sonkusale 的團隊採用簡單的染料檢測酸性或鹼性氣體。他說：“然而，因為我們採用一種方法將染料有效地捕捉到線中，而不是過多地依賴於化學鍵合，所以我們擁有更多的靈活性，採用具有一系列功能性化學物質的染料來檢測不同種氣體。”
受試染料的顏色變化，是以一種與氣體濃度成比例的方式，就像採用光譜法測量一樣。精確度處於光譜儀和人眼之間，因此可採用智能手機讀出數字並量化顏色改變，或者通過多條線和多種染料來解讀顏色特徵。Sonkusale 表示：“這將使我們可擴大規模至一次測量許多分析物，或者通過獨特的比色特徵來區分分析物。”
可感知氣體、可洗滌的智能線的概念圖（圖片來源：參考資料【2】）
價值
研究人員們稱，將氣體檢測功能集成到織物中，不僅不會失去傳統電子設備檢測揮發性氣體的精準度，而且無需設備以及專業化訓練就可以獲得讀數。該方案使這項技術可供一般人或者低資源社區使用，他們將從織物提供的信息中受益。
這些線甚至可在水下工作，檢測到溶解的氨氣。論文領導作者、塔夫茨大學化學與生物工程系研究生 Rachel Owyeung 表示：“PDMS 密封劑是防水的，能讓水脫離線，但是溶解的氣體卻仍可到達染料，從而被計量出來。作為溶解氣體的傳感器，我們設想智能織物或將應用於油氣勘探期間，檢測二氧化碳或者其他揮發性有機化合物。”
研究人員們稱，因為反覆洗滌或在水下使用不會稀釋染料，所以這些線可以經受得住連續多次的可計量的檢測。
關鍵字
智能織物、傳感器、氣體檢測
參考資料
【1】https://now.tufts.edu/news-releases/s-sew-smart-scientists-invent-threads-detect-gases-when-woven-clothing
【2】Rachel E. Owyeung, Matthew J. Panzer, Sameer R. Sonkusale. Colorimetric Gas Sensing Washable Threads for Smart Textiles. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-42054-8
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