(Nanowerk em destaque) Eletrônica flexível surgiram como uma tecnologia transformadora, prometendo revolucionar a forma como interagimos com dispositivos e os integramos em nossas vidas diárias. A capacidade de dobrar, esticar e se adaptar a superfícies irregulares abre possibilidades para monitores de saúde vestíveis, shows dobráveis e sistemas de coleta de energia que se misturam perfeitamente com o corpo humano ou se adaptam a ambientes dinâmicos. No entanto, criar componentes eletrônicos que podem suportar deformações repetidas, mantendo um desempenho consistente, tem apresentado desafios significativos.
Um gargalo crítico no desenvolvimento de eletrônicos flexíveis e extensíveis tem sido o eletrodo – a camada condutora que transporta sinais elétricos. Materiais de eletrodo tradicionais como óxido de índio e estanho são quebradiços e racham sob tensão, tornando os dispositivos não funcionais. Pesquisadores exploraram várias abordagens para criar eletrodos extensíveis, incluindo padronizar filmes de metallic em formas de serpente ou incorporar condutores nanopartículas em polímeros elásticos. No entanto, esses métodos geralmente envolvem processos de fabricação complexos ou compensações entre elasticidade e condutividade elétrica.
Avanços recentes em nanomateriais revigoraram a busca por eletrodos extensíveis de alto desempenho. Prata nanofiosem explicit, têm atraído atenção por sua excelente condutividade e flexibilidade mecânica. Quando adequadamente integradas com substratos elastoméricos, as redes de nanofios de prata podem manter caminhos elétricos mesmo quando esticadas. No entanto, ainda há desafios para atingir uma adesão robusta entre os nanofios e o substrato, bem como proteger os nanofios da degradação ambiental.
Neste contexto, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um método novo e direto para fabricar eletrodos extensíveis com nanofios de prata incorporados em um elastômero termoplástico. Sua abordagem, detalhada em um artigo publicado em Materiais Funcionais Avançados (“Células solares orgânicas intrinsecamente extensíveis e sensores habilitados por eletrodos compostos extensíveis”), oferece um caminho promissor para a produção escalável de eletrodos altamente elásticos e duráveis para eletrônicos flexíveis de próxima geração.

O método dos pesquisadores envolve uma técnica de transferência por pulverização, onde uma solução de nanofios de prata é pulverizada em um substrato de vidro aquecido, seguido pelo derramamento de uma solução líquida de poliuretano termoplástico (TPU) sobre a camada de nanofios. Os nanofios de prata são superficialmente incorporados na matriz de TPU, o que é essential para melhorar tanto a estabilidade mecânica quanto o desempenho elétrico dos eletrodos. Conforme o TPU cura, ele envolve parcialmente os nanofios de prata, criando uma estrutura composta onde a rede condutora é superficialmente incorporada na superfície do elastômero.
Essa estratégia de incorporação oferece diversas vantagens importantes, incluindo maior estabilidade elétrica ao proteger os nanofios contra danos mecânicos e degradação ambiental, que são problemas comuns quando os nanofios são simplesmente depositados sobre um substrato elástico.
Ao integrar os nanofios na matriz TPU, o eletrodo exibe excelente estabilidade mecânica sob deformação repetida. Quando esticado, o polímero elástico absorve grande parte da tensão, reduzindo o estresse na rede de nanofios condutores. Isso permite que o eletrodo mantenha um desempenho elétrico consistente mesmo quando submetido a 100% de tensão ao longo de centenas de ciclos. A incorporação também protege os nanofios de prata de fatores ambientais como oxidação, que podem degradar a condutividade ao longo do tempo.
Importante, o processo de fabricação é relativamente simples e passível de produção em larga escala. Diferentemente de algumas abordagens anteriores que dependem de litografia complexa ou etapas de impressão por transferência, este método de revestimento por pulverização e vazamento pode ser facilmente ampliado para criar eletrodos flexíveis de grande área. Os pesquisadores também otimizaram a composição do solvente e as condições de cura para obter filmes uniformes sem defeitos.
Para demonstrar a versatilidade de seu eletrodo extensível, apelidado de “Strem-AT”, a equipe o incorporou em duas aplicações principais: um sensor de tensão vestível e uma célula photo voltaic orgânica flexível. Como um sensor de tensão conectado a várias articulações do corpo, o eletrodo pode detectar e quantificar com precisão movimentos complexos. Sua alta elasticidade permitiu que ele se adaptasse à pele e mantivesse sinais elétricos estáveis mesmo durante grandes deformações, como dobrar um cotovelo ou joelho.
Talvez ainda mais impressionante, os pesquisadores usaram o Strem-AT como o eletrodo inferior em uma célula photo voltaic orgânica totalmente extensível. Este dispositivo fotovoltaico intrinsecamente extensível atingiu uma eficiência de conversão de energia superior a 12,5% – entre as mais altas relatadas para células solares orgânicas flexíveis. Crucialmente, ele reteve mais de 80% de sua eficiência inicial quando esticado para 51% de deformação. Mesmo após 1000 ciclos de 50% de deformação, a célula photo voltaic manteve 76% de seu desempenho unique. Esta combinação de alta eficiência e durabilidade mecânica representa um passo significativo para dispositivos flexíveis de coleta de energia.
A estabilidade aprimorada decorre da estrutura do eletrodo embutido, que fornece uma superfície lisa para depositar camadas subsequentes do dispositivo, ao mesmo tempo em que protege a rede condutora. Isso permite que toda a pilha de células solares se deforme coesivamente sem delaminação ou rachaduras que degradariam severamente o desempenho.
Embora promissor, algumas limitações e áreas para melhorias adicionais permanecem. Os pesquisadores notaram que a incorporação de nanofios de prata reduziu ligeiramente a elasticidade do substrato TPU em comparação ao polímero puro. Além disso, manter a condutividade consistente após milhares de ciclos de deformação continua sendo um desafio, indicando a necessidade de otimização adicional da concentração de nanofios e da profundidade de incorporação.
Pode haver espaço para otimizar a concentração de nanofios e a profundidade de incorporação para equilibrar a condutividade e a elasticidade. Além disso, embora mais durável do que os nanofios depositados na superfície, a rede incorporada ainda sofreu alguns danos em tensões muito altas ou após milhares de ciclos de deformação.
No entanto, este trabalho representa um avanço importante na eletrônica extensível, fornecendo uma estratégia direta, porém eficaz, para fabricar eletrodos flexíveis de alto desempenho. A simplicidade do processo, combinada com as impressionantes propriedades mecânicas e elétricas alcançadas, o torna um candidato promissor para escalar para produção industrial. Este método aborda problemas de eficiência encontrados em outras técnicas, como spin-coating, tornando-o mais adequado para aplicações em larga escala em eletrônica flexível.
Por
Miguel
Berger
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-Sociedade: Expandindo os Limites da Tecnologia,
Nanotecnologia: O Futuro é Pequenoe
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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