Empa desenvolve sensores e displays biologicamente degradáveis

É possível fabricar sensores e displays biologicamente degradáveis através da impressão 3D? Um material que torna isso possível foi desenvolvido por investigadores do laboratório da Empa “Materiais de Celulose e Madeira” com base em celulose. A mistura de hidroxipropilcelulose, água, nanotubos de carbono e nanofibras de celulose altera a sua cor dependendo da temperatura e da deformação – e tudo isso sem a adição de pigmentos.

(Dübendorf) Um material elástico que muda de cor, conduz eletricidade, pode ser impresso em 3D e ainda é biologicamente degradável? Isso não é apenas um sonho da ciência: exatamente essa “ovelha negra” foi criada por investigadores da Empa no laboratório “Materiais de Celulose e Madeira” em Dübendorf, com base em celulose e nanotubos de carbono.

Como matéria-prima, os investigadores utilizaram hidroxipropilcelulose (HPC), que é usada, entre outras coisas, como excipiente em produtos farmacêuticos, cosméticos e alimentos. Uma característica especial da HPC é que, após a adição de água, forma cristais líquidos. Esses cristais líquidos têm uma propriedade notável: dependendo da estrutura cristalina – que depende, entre outras coisas, da concentração de HPC – eles brilham em diversas cores, embora sejam, na verdade, incolores ou sem pigmento. Esse fenômeno é chamado de coloração estrutural e é conhecido na natureza: penas de pavão, asas de borboleta e a pele do camaleão obtêm sua coloração vibrante total ou parcialmente não através de corantes, mas através de estruturas microscópicas que “decompõem” a luz do dia (branca) em suas cores espectrais e refletem apenas determinados comprimentos de onda – ou seja, cores.

A cor também muda com a temperatura

A cor estrutural da HPC, no entanto, não muda apenas com a concentração, mas também com a temperatura. Para explorar melhor essa propriedade, os investigadores liderados por Gustav Nyström adicionaram 0,1% em massa de nanotubos de carbono à mistura de HPC e água. Isso torna o líquido eletricamente condutivo e permite que os investigadores controlem a temperatura – e, portanto, a cor dos cristais líquidos – aplicando uma tensão elétrica. Bônus: o carbono atua como um absorvedor de banda larga, intensificando as cores. Com a adição de uma pequena quantidade de nanofibras de celulose, a equipe de Nyström também conseguiu tornar a mistura imprimível em 3D, sem comprometer a coloração e a condutividade.

Biologicamente degradável: O display é composto por 7 segmentos condutivos que mudam de cor através do calor gerado pela eletricidade

Através da impressão 3D, os investigadores criaram diferentes exemplos de aplicação a partir da nova mistura de celulose. Entre eles, um sensor de deformação que muda de cor dependendo da deformação mecânica, bem como um display simples composto por sete segmentos controlados eletricamente. “Já desenvolvemos diferentes componentes eletrônicos em nosso laboratório com base em celulose, como baterias e sensores”, diz Xavier Aeby, coautor do estudo. “Esta é a primeira vez que conseguimos desenvolver um display baseado em celulose.”

Aplicações diversas são possíveis

No futuro, a tinta à base de celulose pode encontrar inúmeras aplicações diferentes, como sensores de temperatura e deformação, controle da qualidade dos alimentos ou diagnóstico biomédico. “Materiais sustentáveis que podem ser impressos em 3D são de grande interesse, entre outras coisas, para aplicações em eletrônica biologicamente degradável e para a Internet das Coisas”, diz o chefe do laboratório, Nyström. “Ainda há muitas questões em aberto sobre como a coloração estrutural realmente ocorre e como ela pode ser alterada por diferentes aditivos ou influências ambientais.” Nyström e sua equipe continuarão a investigar isso, na esperança de descobrir mais fenômenos interessantes e possibilidades de aplicação.

Fotos: © Empa