Raízes de árvores inspiram eletrônicos flexíveis robustos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/02/2025

Impressão aditiva inspirada nas raízes das árvores permite fabricar eletrônicos de alta robustez.
[Imagem: Guifang Liu et al. - 10.1038/s41378-024-00840-z]

Eletrônica conformal

Pesquisadores desenvolveram uma solução de ponta para os chamados "eletrônicos conformais", circuitos eletrônicos flexíveis que são cruciais para aplicações que vão da robótica comum às peles inteligentes e equipamentos sensoriais.

Já existem várias abordagens para a criação desses eletrônicos maleáveis, mas eles têm sofrido com vulnerabilidades mecânicas e térmicas significativas.

Isso levou Guifang Liu e colegas da Universidade Jiaotong de Xian, na China, a procurar soluções na natureza. Eles encontraram um caminho no sistema de raízes das árvores, criando uma nova abordagem para a tecnologia de impressão de circuitos eletrônicos que eles chamam de "manufatura aditiva com restrição de modelo".

Os métodos de impressão 3D tradicionais geralmente produzem circuitos propensos a rasgos, rachaduras e outras formas de danos, limitando seu desempenho e confiabilidade. Além disso, criar circuitos de alta resolução com uma ampla variedade de materiais continua sendo uma tarefa complexa, exigindo o desenvolvimento de técnicas de fabricação inovadoras para abordar a durabilidade mecânica e a precisão dos circuitos eletrônicos.

A nova técnica resultou em um aumento dramático na robustez mecânica dos circuitos, permitindo que eles suportem condições extremas, incluindo temperaturas de até 350 °C e desgaste mecânico intenso. A tecnologia também alcançou capacidades de impressão de alta resolução, com uma precisão de até 300 nanômetros, além de funcionar com uma gama diversificada de materiais, de ligas piezoelétricas a nanotubos de carbono e nanopartículas de prata.

Sistema de sensores construídos com a nova técnica.
[Imagem: Guifang Liu et al. - 10.1038/s41378-024-00840-z]

Inspiração nas raízes das árvores

A tecnologia de impressão revoluciona a fabricação de circuitos conformais sobretudo por permitir a incorporação de adesivos nos materiais funcionais, o que cria uma interface de intertravamento profunda que fortalece significativamente a integridade mecânica dos circuitos. Isso permite que os circuitos mantenham seu desempenho elétrico, mesmo sob condições ambientais extremas.

A inspiração veio do sistema radicular das árvores que, ao penetrar no solo, promove um empilhamento firme das partículas e uma ligação com o substrato, reforçando assim a capacidade da árvore de resistir às cargas, garantindo sua estabilidade. De modo análogo, a penetração do adesivo no material funcional aumenta a robustez mecânica dos circuitos, permitindo que eles mantenham seu desempenho elétrico mesmo na presença de fatores externos como arranhões, abrasão, dobras ou altas temperaturas.

O método também permite a criação de circuitos multicamadas e autoalinhados, superando muitas das limitações das técnicas de impressão tradicionais.

Como prova do potencial da técnica, a equipe utilizou-a para criar sensores conformais de temperatura e de umidade, bem como sistemas de armazenamento de energia ultrafinos, baseados em materiais piezoelétricos - isso permite tanto a criação de supercapacitores, para armazenar energia, quanto nanogeradores triboelétricos, para gerar energia.

"A tecnologia de impressão representa um grande salto à frente no campo da eletrônica conformal. Ao nos inspirarmos na natureza, desenvolvemos uma solução que não apenas melhora a durabilidade dos circuitos eletrônicos, mas também atinge precisão e versatilidade notáveis. Isso a torna ideal para uma ampla gama de aplicações, de vestíveis a robótica avançada," disse o professor Jinyou Shao.

Protótipos de circuitos que se conformam a várias superfícies.
[Imagem: Guifang Liu et al. - 10.1038/s41378-024-00840-z]

Aplicações

As implicações desta nova técnica de impressão são vastas.

Com sua capacidade de criar circuitos conformais duráveis e de alta resolução, a tecnologia está pronta para ser utilizada pela indústria dos veículos autônomos, onde os sensores devem suportar condições ambientais adversas. Na robótica, a tecnologia promete melhorar o desempenho e a confiabilidade dos componentes eletrônicos integrados em revestimentos e juntas robóticas.

Além disso, a impressão viabiliza a integração robusta de eletrônicos em objetos do cotidiano, como dispositivos vestíveis e tecidos inteligentes. Sua flexibilidade e precisão também têm o potencial de impulsionar avanços na eletrônica aeroespacial e biomédica, onde durabilidade e exatidão são cruciais.

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