Um materials elástico e transparente que ele próprio pode ajudar os dispositivos vestíveis a responder em tempo actual a estímulos térmicos.
Crédito da imagem: synthex/shutterstock.com
Ao combinar um polímero flexível com líquidos iônicos, os pesquisadores criaram um sensor triboelétrico que transforma o calor em sinais elétricos sem bateria.
O novo sensor, descrito em Materiais funcionais avançadosé baseado em elastômeros iônicos. Os elastômeros iônicos são materiais que respondem de maneira sensível às mudanças de temperatura e são feitos misturando polímeros com líquidos iônicos (ILs). Neste estudo, os pesquisadores investigaram o poliuretano termoplástico (TPU), um polímero visco-porcoelástico conhecido por sua alongabilidade e capacidade de resposta térmica.
A TPU forma naturalmente regiões separadas por microfase, com áreas de cristalinidade mais dura e características mais suaves e mais amorfas. Essas regiões respondem de maneira diferente ao calor, dando ao materials a memória útil e as propriedades mecânicas.
A combinação de TPU com ILS melhora a mobilidade de íons do elastômero e altera suas propriedades interfaciais, tornando o materials especialmente promissor para aplicações sensíveis à temperatura.
O dispositivo de detecção
Os pesquisadores criaram o dispositivo de detecção incorporando líquido iônico 1-etil-3-metilimidazólio bis (trifluorometilsulfonil) imida (((emim) tfsi) na matriz de TPU. Isso resultou em um materials flexível e opticamente transparente, com comportamento microestrutural distinto sob temperaturas variadas.
Esse elastômero foi então integrado a um nanogerador triboelétrico (TENG), que serve como camada carregada positivamente, com alcanes de perfluoroalgoxi (PFA) como contraparte negativa.
O estudo constatou que as camadas geraram cargas triboelétricas quando entraram em contato e depois se separaram. Essas cargas foram afetadas pelas alterações orientadas à temperatura na microestrutura do elastômero, particularmente sua mobilidade de íons e deformação de suas regiões cristalinas.
A saída de tensão do dispositivo foi capturada em tempo actual usando um osciloscópio conectado a um sistema de aquisição de dados baseado em MATLAB.
Para testar o desempenho do sensor, os pesquisadores aplicaram o calor usando uma placa de quente elétrica e realizaram ciclos térmicos entre a temperatura ambiente e 70 ° C. Os termopares presos ao elastômero garantiram leituras precisas de temperatura, enquanto a tensão de saída foi calibrada em relação às medições de temperatura padrão.
Resultados em tempo actual
Uma das principais conclusões do estudo foi que a tensão de saída do sensor aumentou com a temperatura. À medida que o materials se aproximava do ponto de transição vítrea de seus segmentos rígidos (cerca de 60 ° C), as regiões cristalinas suavizaram e deformaram, aumentando significativamente o movimento de íons. Isso, por sua vez, aumentou a formação de carga interfacial e camadas duplas eletroquímicas, resultando em um sinal de tensão mais forte.
O líquido iônico (EMIM) TFSI desempenhou um papel central nesse processo. Facilitou o transporte de íons mais rápido e ajudou a conduzir o calor, melhorando a sensibilidade do elastômero às mudanças de temperatura. Os pesquisadores descobriram que a resposta elétrica do sensor period rápida, reversível e consistente entre os ciclos térmicos repetidos. O desempenho do sensor foi otimizado com uma concentração de 10 % de IL em peso.
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O que vem a seguir?
Os pesquisadores sugerem que sensores auto-movidos e altamente sensíveis como os deles poderiam ser valiosos em eletrônicos vestíveis, onde o monitoramento térmico em tempo actual é cada vez mais importante. À medida que os dispositivos ficam menores e mais complexos, gerenciar o calor de maneira eficaz, sem adicionar fontes de energia a granel ou externas, é um desafio crescente.
Olhando para o futuro, a equipe investigará as concentrações de IL para usos específicos, testará o materials sob condições mais extremas e explorará a integração com os sistemas de IA para interpretar sinais irregulares ou complexos.
Referência do diário
Hwang HJ et al., (2025). Sensoramento de temperatura em tempo actual auto-alimentado com base no elastômero iônico flexível em nanogeneradores triboelétricos. Materiais funcionais avançados. Doi: 10.1002/adfm.202504081, https://superior.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504081