Eletrônica de madeira sustentável por ferro

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

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A eletrônica de madeira ecologicamente correta ajudará a aliviar as deficiências da "eletrônica verde" baseada em celulose de última geração. 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 alta qualidade e eficiência, superando as limitações da LIG convencional, incluindo alta ablação, danos térmicos, necessidade para múltiplas etapas de laser, uso de retardadores de chama e atmosferas inertes. Um revestimento aquoso de base biológica, inspirado na tinta histórica de fel de ferro, protege a madeira da ablação a laser e dos danos térmicos, ao mesmo tempo em que promove grafitização eficiente e suaviza as irregularidades do substrato. Grande escala (100 cm2), altamente condutora (≥2500 S m−1) e áreas de superfície homogêneas são gravadas em uma única etapa na atmosfera ambiente com um laser de CO2 convencional, mesmo em lâminas de madeira muito finas (∼450 µm). Demonstramos a validade de nossa abordagem transformando 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 ​​usando rotas de fabricação ecologicamente corretas ("eletrônica verde") é obrigatório para atender às demandas de uma sociedade sustentável1. A implementação prevista da abordagem da Internet das Coisas (IoT) para edifícios inteligentes e até mesmo cidades apresenta desafios não atendidos em termos de escala e durabilidade de materiais eletrônicos sustentáveis2,3. A eletrônica verde de última geração é hoje dominada por dispositivos relativamente pequenos e descartáveis ​​feitos de materiais à base de (nano) celulose4,5,6. No entanto, sua sustentabilidade pode ser desafiada pelas muitas etapas exigentes, em termos de quantidade de energia e produtos químicos, necessários para o isolamento e remontagem da celulose em materiais funcionais. Usar a madeira como substrato para aparelhos eletrônicos pode ajudar a resolver esse problema na raiz. Os materiais de madeira também são especialmente úteis para aplicações que exigem não apenas alta resistência mecânica e escalabilidade, como monitoramento de saúde estrutural (por exemplo, sensores de tensão 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 tátil muito apreciadas, leve mas com elevada resistência mecânica. Até agora, o desenvolvimento da eletrônica da madeira foi limitado pela complexa estrutura da madeira e pela falta de condutividade elétrica intrínseca. Tentativas anteriores de materiais de madeira eletricamente condutivos incluíram o revestimento da superfície com nanofios de metal7 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 em condições adequadas pode resultar em materiais semelhantes a grafeno e 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 a grafitização seletivamente na superfície da madeira, até vários mícrons, mas deixando o volume intacto, abriria novos caminhos para a eletrônica da madeira.

A grafitização induzida por laser (LIG) tem sido usada para converter uma variedade de precursores inorgânicos14,15 e orgânicos em materiais eletricamente condutores16,17,18. 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. A LIG é uma técnica econômica com alta velocidade de processamento e flexibilidade, possibilitando combinar a gravação a laser de padrões grafitados com morfologia controlada19 juntamente com o corte a laser. As primeiras tentativas de grafitização induzida por laser de materiais biológicos16,20 levaram a produtos com propriedades elétricas e estruturais razoáveis, mas não totalmente suficientes, para a maioria das aplicações previstas, como sensores e atuadores em grande escala.