Flexível, orgânico e biodegradável: Os investigadores de Stanford desenvolvem uma nova onda de electrónica

Foto cortesia do Laboratório Bao: Um semicondutor flexível e biodegradável recentemente desenvolvido pelos engenheiros de Stanford mostrado num cabelo humano

Stanford News – 1 de Maio de 2017 – por Sarah Derouin

Como a electrónica se torna cada vez mais difundida nas nossas vidas – desde telemóveis inteligentes a sensores viáveis – também o faz a quantidade sempre crescente de lixo electrónico que eles criam. Um relatório do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente constatou que quase 50 milhões de toneladas de lixo eletrônico foram jogadas fora em 2017 – mais de 20% maior que o lixo em 2015.

Troubado por esse lixo de montagem, o engenheiro de Stanford Zhenan Bao e sua equipe estão repensando a eletrônica. “No meu grupo, temos tentado imitar a função da pele humana para pensar em como desenvolver os futuros dispositivos eletrônicos”, disse Bao. Ela descreveu como a pele é extensível, auto-curável e também biodegradável – uma lista atraente de características para a eletrônica”. “Conseguimos os dois primeiros, por isso a biodegradabilidade era algo que queríamos resolver”

A equipa criou um dispositivo electrónico flexível que pode facilmente degradar-se apenas pela adição de um ácido fraco como o vinagre. Os resultados foram publicados no dia 1 de Maio em Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Este é o primeiro exemplo de um polímero semicondutor que pode se decompor”, disse o autor principal Ting Lei, um colega de pós-doutorado que trabalha com a Bao.

Além do polímero – essencialmente um plástico flexível e condutor – a equipe desenvolveu um circuito eletrônico degradável e um novo material de substrato biodegradável para a montagem dos componentes elétricos. Este substrato suporta os componentes elétricos, flexionando e moldando em superfícies rugosas e lisas. Quando o dispositivo eletrônico não é mais necessário, tudo pode se biodegradar em componentes não tóxicos.

Biodegradáveis

Bao, um professor de engenharia química e ciência e engenharia de materiais, tinha criado anteriormente um eletrodo extensível modelado sobre a pele humana. Esse material podia dobrar-se e torcer-se de uma forma que lhe permitisse interagir com a pele ou cérebro, mas não podia degradar-se. Isso limitou sua aplicação para dispositivos implantáveis e – importante para a Bao – contribuiu para o desperdício.

Bao disse que criar um material robusto que seja ao mesmo tempo um bom condutor elétrico e biodegradável era um desafio, considerando a química tradicional dos polímeros. “Temos tentado pensar como podemos alcançar tanto a grande propriedade eletrônica quanto a biodegradabilidade”, disse Bao.

Eventualmente, a equipe descobriu que, ao ajustar a estrutura química do material flexível, ele se quebraria sob estresses leves. “Tivemos a ideia de fazer essas moléculas usando um tipo especial de ligação química que pode reter a capacidade do elétron de se transportar suavemente ao longo da molécula”, disse Bao. “Mas também esta ligação química é sensível a ácido fraco – ainda mais fraco que o vinagre puro”. O resultado foi um material que poderia transportar um sinal eletrônico, mas que se decompõe sem exigir medidas extremas.

Além do polímero biodegradável, a equipe desenvolveu um novo tipo de componente elétrico e um material de substrato que se liga a todo o componente eletrônico. Os componentes eletrônicos são geralmente feitos de ouro. Mas para este dispositivo, os pesquisadores criaram componentes a partir do ferro. A Bao observou que o ferro é um produto muito ecológico e não tóxico para o ser humano.

Os pesquisadores criaram o substrato, que transporta o circuito eletrônico e o polímero, a partir da celulose. A celulose é a mesma substância que compõe o papel. Mas ao contrário do papel, a equipe alterou as fibras de celulose de forma que o “papel” é transparente e flexível, ao mesmo tempo em que se decompõe facilmente. O substrato de filme fino permite que a eletrônica seja usada na pele ou mesmo implantada dentro do corpo.

Dos implantes às plantas

A combinação de um polímero condutor biodegradável e substrato torna o dispositivo eletrônico útil em uma infinidade de configurações – de eletrônica desgastável a levantamentos ambientais em larga escala com sensores de poeira.

“Nós imaginamos essas manchas macias que são muito finas e adaptáveis à pele que pode medir a pressão arterial, o valor da glicose, o teor de suor”, disse Bao. Uma pessoa pode usar um adesivo projetado especificamente para um dia ou uma semana e, em seguida, fazer o download dos dados. Segundo Bao, este uso de curto prazo da eletrônica descartável parece um ajuste perfeito para um design degradável e flexível.

E não é apenas para pesquisas na pele: o substrato biodegradável, polímeros e eletrodos de ferro tornam todo o componente compatível com a inserção no corpo humano. O polímero decompõe-se em concentrações de produto muito inferiores aos níveis aceitáveis publicados e encontrados na água potável. Embora o polímero tenha sido considerado biocompatível, Bao disse que mais estudos precisariam ser feitos antes dos implantes serem uma ocorrência regular.

A eletrônica biodegradável tem o potencial de ir muito além da coleta de dados de doenças cardíacas e glicose. Estes componentes poderiam ser utilizados em locais onde as pesquisas cobrem grandes áreas em locais remotos. Lei descreveu um cenário de pesquisa onde a eletrônica biodegradável é lançada por avião sobre uma floresta para levantar a paisagem. “É uma área muito grande e muito difícil para as pessoas espalharem os sensores”, disse ele. “Além disso, se você espalhar os sensores, é muito difícil reuni-los de volta”. Você não quer contaminar o ambiente, então precisamos de algo que possa ser decomposto”. Em vez de plásticos plásticos espalhados pelo chão da floresta, os sensores se biodegradariam.

À medida que o número de eletrônicos aumentar, a biodegradabilidade se tornará mais importante. Lei está animada com seus avanços e quer continuar melhorando o desempenho da eletrônica biodegradável. “Atualmente temos computadores e celulares e geramos milhões e bilhões de celulares, e é difícil de decompor”, disse ele. “Esperamos poder desenvolver alguns materiais que possam ser decompostos para que haja menos desperdício”

Outros autores do estudo incluem Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire e Jeffrey Tok da Universidade de Stanford; Tsung-Ching Huang da Hewlett Packard Enterprise; e Lei-Lai Shao e Kwang-Ting Cheng da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara.

A pesquisa foi financiada pelo Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; bolsa Beatriu de Pinós; e a Kodak Graduate Fellowship.

Publicado originalmente em Stanford news