Eletrônicos que crescem em árvores: Semicondutores funcionais feitos de madeira

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/04/2022

Diagrama esquemático da preparação do semicondutor derivado de celulose de madeira com propriedades elétricas personalizáveis e estrutura 3D nativa.
[Imagem: Hirotaka Koga et al. - 10.1021/acsnano.1c10728]

Semicondutores de madeira

Já existem chips feitos em substratos de madeira e várias tentativas de desenvolver uma eletrônica biodegradável, mas o passo definitivo será mesmo fazer os componentes semicondutores de madeira.

Além da origem renovável e de serem biodegradáveis, materiais semicondutores derivados da madeira possuem naturalmente estruturas de rede 3D, com grandes áreas de superfície e muitos poros, o que os tornam excelentes também para outras aplicações, como adsorção, separação e detecção.

Embora o termo papel eletrônico tenha sido cunhado para descrever componentes eletrônicos que se tornaram finos e flexíveis, lembrando as propriedades físicas do papel, aqui estamos falando de componentes eletrônicos de papel mesmo, ou celulose, como transistores eletrônicos de papel totalmente funcionais.

O grande desafio é encontrar técnicas que permitam controlar simultaneamente as propriedades elétricas do material e criar estruturas úteis em micro e macro-escala, ao mesmo tempo garantindo eficiência e versatilidade no uso final.

Agora, Hirotaka Koga e colegas da Universidade de Osaka, no Japão, desenvolveram um semicondutor de celulose em nanoescala (nanocelulose) cujas estruturas 3D podem ser manipuladas em trans-escala (nano, micro e macro) e ainda permite um amplo ajuste das propriedades elétricas de todo o material.

Trans-escalabilidade: As propriedades semicondutoras persistem do nível nano ao nível macro.
[Imagem: Hirotaka Koga et al. - 10.1021/acsnano.1c10728]

Nanocelulose eletrônica

Nanofibras de celulose, ou nanocelulose, podem ser transformadas em folhas de papel flexível com dimensões que vão das nanofolhas a folhas no padrão. O nanopapel em si não conduz corrente elétrica, mas basta submetê-lo a um tratamento por aquecimento para introduzir as propriedades condutoras ou semicondutoras.

Infelizmente, essa exposição ao calor também acaba danificando a nanoestrutura.

Para evitar esse problema, os pesquisadores japoneses desenvolveram um processo de tratamento que lhes permite aquecer o nanopapel sem danificar as estruturas, e garantir essa qualidade da nanoescala até a macroescala.

"Uma propriedade importante para o semicondutor de nanopapel é a possibilidade de ajuste, uma vez que ele permite que os componentes sejam projetados para aplicações específicas," explicou Koga. "Aplicamos um tratamento de iodo que foi muito efetivo para proteger a nanoestrutura do nanopapel. Combinando isso com secagem controlada espacialmente, o tratamento de pirólise não alterou substancialmente as estruturas traçadas anteriormente e a temperatura selecionada pode ser usada para controlar as propriedades elétricas."

A equipe usou as técnicas de origami (dobragem de papel) e kirigami (corte de papel) para fornecer exemplos da flexibilidade do nanopapel no nível macro. Eles criaram um pássaro e uma caixa por dobradura, formas como uma maçã e um floco de neve foram perfuradas e estruturas mais intrincadas foram produzidas por corte a laser. Isso demonstra o nível de detalhamento possível, bem como a ausência de danos causados pelo tratamento térmico.

Demonstrações práticas da tecnologia semicondutora de papel.
[Imagem: Hirotaka Koga et al. - 10.1021/acsnano.1c10728]

Eletrônica de madeira na prática

A equipe foi além, e apresentou também protótipos de aplicações práticas, com os semicondutores de nanopapel incorporados em dispositivos vestíveis, incluindo sensores para detectar a umidade exalada através de máscaras faciais ou pela pele.

O semicondutor de nanopapel também foi usado como eletrodo em uma célula de biocombustível de glicose, com a energia gerada sendo suficiente para acender uma pequena lâmpada.

"A manutenção e ajustabilidade da estrutura que pudemos mostrar é muito encorajadora para a tradução de nanomateriais em dispositivos práticos," disse Koga. "Acreditamos que nossa abordagem servirá de base para os próximos passos em eletrônicos sustentáveis, feitos inteiramente de materiais vegetais."

Mais tópicos