Forschende entwickeln eine kontaktlose Methode zur ­Qualitätskontrolle von smarten Textilien

Intelligente Textilien sollen in Zukunft mehr können als nur wärmen oder kühlen: Sie könnten Herzfrequenz und Blutdruck messen, Smartphones mit Energie versorgen oder sogar als Sensoren in Schutzkleidung eingesetzt werden. Damit das funktioniert, werden die Stoffe mit leitfähigen Beschichtungen versehen. Hier liegt die Herausforderung: Diese hauchdünnen Schichten – nur wenige Dutzend Nanometer dick und damit tausendmal dünner als ein menschliches Haar – müssen gleichmäßig auf dem flexiblen, oft rauen Gewebe haften. Ein Team in Jena, Marburg und den USA hat nun eine neue, berührungslose Methode entwickelt, um Materialfehler in diesen ultradünnen Schichten sichtbar zu machen.

„Unsere Methode gibt uns erstmals eine detaillierte, ortsaufgelöste Analyse der elektrischen Leitfähigkeit auf Textilien“, erklärt Dr. ­Jonathan Plentz, dessen ­Arbeitsgruppe Photonische Dünnschichtsysteme am Leibniz-IPHT das Verfahren gemeinsam mit der Philipps-Universität Marburg und der Brown University in den USA erstmals auf textile Substrate angewendet hat. „Dadurch können wir Fehler frühzeitig erkennen und die Entwicklung smarter Textilien gezielt verbessern.“

Terahertz-Strahlung als ­präzises Analysewerkzeug

Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht. Sie besitzt eine besondere Eigenschaft: Sie kann durch viele Materialien hindurchdringen, ohne sie zu beschädigen, und dabei wertvolle Informationen über ihre Struktur liefern. In der Medizintechnik wird sie bereits zur Erkennung von Hautkrebs eingesetzt, in der Sicherheitsbranche zur Kontrolle von Gepäckstücken.

Für die Messungen bestrahlen die Forschenden die beschichteten Textilien mit Terahertz-Wellen und analysieren, wie diese mit dem Material interagieren. „Die Art und Weise, wie die Strahlung reflektiert oder absorbiert wird, gibt uns wertvolle Hinweise auf die Leitfähigkeit der Schicht“, erklärt Dr. Maximilian Hupfer vom Leibniz-IPHT, der die elektrische Leitfähigkeit der Proben mit Vier-Punkt-Messungen überprüft hat.

Das Besondere: Während herkömmliche Messmethoden meist in direktem Kontakt mit der Oberfläche stehen und das Material sogar beschädigen können, funktioniert das Terahertz-Verfahren kontaktlos und zerstörungsfrei.

Auf der Spur von ­Materialfehlern

Um ihre Methode zu überprüfen, untersuchten die Forschenden zwei Materialien, die häufig in smarten Textilien verwendet werden: Silber und Indiumzinnoxid (ITO). Diese werden als leitfähige und zugleich transparente Beschichtungen auf Stoffe aufgetragen.

Die Ergebnisse zeigen, dass Terahertz-Strahlung die Leitfähigkeit der Schichten präzise kartieren kann – und dabei Defekte aufspürt, die mit anderen Methoden nur schwer sichtbar wären. Solche Unregelmäßigkeiten könnten die Funktion der smarten Textilien beeinträchtigen, beispielsweise indem Sensoren unzuverlässig arbeiten oder elektrische Verbindungen unterbrochen werden.

Anwendungen für Schutz­kleidung und Medizintechnik

Die neue Messmethode könnte ein wichtiger Schritt für die Weiterentwicklung smarter Textilien sein. „Gerade in der Medizintechnik oder bei Schutzkleidung ist es entscheidend, dass diese Materialien zuverlässig funktionieren“, sagt Jonathan Plentz. Doch auch andere Branchen könnten profitieren: „Die Technik lässt sich beispielsweise in der Automobilindustrie oder für flexible Elektronik einsetzen.“

„Die Methode könnte perspektivisch zur Qualitätskontrolle in der industriellen Produktion beitragen“, so Plentz. „So ließe sich die Herstellung smarter Textilien effizienter und nachhaltiger gestalten.“

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41598-024-73113-4