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Sep 15, 2023

Eletrônica de madeira sustentável por ferro

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3680 (2022) Citar este artigo 10k Acessos 19 Citações 53 Detalhes de métricas altmétricas A eletrônica de madeira ecologicamente correta ajudará a aliviar o

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3680 (2022) Citar este artigo

10 mil acessos

19 citações

53 Altmétrico

Detalhes das métricas

A eletrônica de madeira ecologicamente correta ajudará a aliviar as deficiências da “eletrônica verde” de última geração baseada em celulose. Aqui apresentamos a grafitização induzida por laser catalisada por ferro (IC-LIG) como uma abordagem inovadora para gravar estruturas eletricamente condutoras em grande escala em madeira com altíssima qualidade e eficiência, superando as limitações do LIG convencional, incluindo alta ablação, danos térmicos, necessidade para múltiplas etapas de laser, uso de retardadores de fogo e atmosferas inertes. Um revestimento aquoso de base biológica, inspirado na histórica tinta de galha de ferro, protege a madeira da ablação a laser e dos danos térmicos, ao mesmo tempo que promove uma grafitização eficiente e suaviza as irregularidades do substrato. Áreas de superfície em grande escala (100 cm2), altamente condutivas (≥2500 S m-1) e homogêneas são gravadas em uma única etapa na atmosfera ambiente com um laser de CO2 convencional, mesmo em folheados de madeira muito finos (∼450 µm). Demonstramos a validade de nossa abordagem transformando a madeira em sensores de deformação altamente duráveis, eletrodos flexíveis, painéis de toque capacitivos e um dispositivo eletroluminescente baseado em LIG.

O desenvolvimento de dispositivos eletrônicos a partir de materiais renováveis ​​e biodegradáveis, utilizando rotas de fabricação ecologicamente corretas (“eletrônica verde”), é obrigatório para atender às demandas de uma sociedade sustentável1. A implementação prevista da abordagem Internet das Coisas (IoT) em edifícios inteligentes e até mesmo em cidades coloca desafios não superados em termos de escala e durabilidade de materiais eletrónicos sustentáveis2,3. A electrónica verde de última geração é hoje dominada por dispositivos descartáveis ​​relativamente pequenos feitos de materiais à base de (nano)celulose4,5,6. No entanto, a sua sustentabilidade pode ser desafiada pelas muitas etapas exigentes, em termos de quantidade de energia e produtos químicos, necessárias para o isolamento e remontagem da celulose em materiais funcionais. Usar madeira como substrato para dispositivos eletrônicos pode ajudar a resolver esse problema pela raiz. Os materiais de madeira também são especialmente úteis para aplicações que exigem não apenas alta resistência mecânica e escalabilidade, como monitoramento da saúde estrutural (por exemplo, sensores de deformação incorporados em estruturas de suporte de carga), mas também estética e sensação ao toque valiosas (como telas sensíveis ao toque e displays de luz como interfaces homem-máquina em edifícios inteligentes).

A madeira é um recurso natural renovável e biodegradável armazenador de CO2, um excelente material de construção de última geração, com estética e sensação ao toque muito apreciadas, leve mas com elevada resistência mecânica. O desenvolvimento da eletrônica da madeira tem sido até agora limitado pela complexa estrutura da madeira e pela falta de condutividade elétrica intrínseca. Tentativas anteriores de materiais de madeira eletricamente condutores incluíram o revestimento de superfície com nanofios metálicos7 e tintas à base de carbono8, bem como impregnação em massa, por exemplo, com metais de baixo ponto de fusão9. Nestas abordagens, independentemente da sua sustentabilidade limitada, a madeira tem sido utilizada como substrato passivo. Quanto a outros substratos biológicos, a grafitização da madeira sob condições adequadas pode resultar em materiais semelhantes ao grafeno e à grafite com propriedades elétricas razoáveis ​​(>500 S m-1 e <1 kΩ ◻-1)10,11,12,13. No entanto, isso geralmente acontece às custas da integridade estrutural e mecânica. Encontrar uma maneira de confinar seletivamente a grafitização na superfície da madeira, até vários mícrons, mas deixando a maior parte intacta, abriria novos caminhos para a eletrônica da madeira.

A grafitização induzida por laser (LIG) tem sido usada para converter uma variedade de precursores inorgânicos e orgânicos em materiais eletricamente condutores . Este processo de grafitização pode ser melhor descrito como uma conversão fototérmica e fotoquímica combinada de um precursor que leva a um material carbonáceo poroso. LIG é uma técnica econômica que apresenta altas velocidades de processamento e flexibilidade, tornando possível combinar a gravação a laser de padrões grafitados com morfologia controlada juntamente com o corte a laser. As primeiras tentativas de grafitização induzida por laser de materiais biológicos levaram a produtos com propriedades elétricas e estruturais razoáveis, mas não totalmente suficientes, para a maioria das aplicações previstas, como sensores e atuadores de grande escala.