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    Cientistas desenvolvem fibras semicondutoras ultrafinas que transformam tecidos em eletrônicos vestíveis

    Crédito:Universidade Tecnológica de Nanyang


    Cientistas da NTU Cingapura desenvolveram fibras semicondutoras ultrafinas que podem ser tecidas em tecidos, transformando-os em eletrônicos vestíveis inteligentes. Seu trabalho foi publicado na revista Nature .



    Para criar fibras semicondutoras que funcionem de forma confiável, elas devem ser flexíveis e sem defeitos para uma transmissão de sinal estável. No entanto, os métodos de fabricação existentes causam estresse e instabilidade, levando a rachaduras e deformidades nos núcleos semicondutores, impactando negativamente o seu desempenho e limitando o seu desenvolvimento.

    Os cientistas da NTU conduziram modelagens e simulações para entender como ocorrem o estresse e a instabilidade durante o processo de fabricação. Eles descobriram que o desafio poderia ser superado por meio de uma seleção cuidadosa de materiais e de uma série específica de etapas tomadas durante a produção da fibra.

    Eles desenvolveram um projeto mecânico e fabricaram com sucesso fibras finas e sem defeitos, abrangendo 100 metros, o que indica sua escalabilidade de mercado. É importante ressaltar que as novas fibras podem ser tecidas em tecidos utilizando métodos existentes.

    Para demonstrar a alta qualidade e funcionalidade das suas fibras, a equipe de pesquisa da NTU desenvolveu protótipos. Isso incluía um gorro inteligente para ajudar uma pessoa com deficiência visual a atravessar a rua com segurança, recebendo alertas em um aplicativo de telefone celular; uma camisa que recebe informações e as transmite por meio de um fone de ouvido, como um audioguia de museu; e um smartwatch com pulseira que funciona como um sensor flexível que se adapta ao pulso dos usuários para medição da frequência cardíaca mesmo durante atividades físicas.
    Crédito:Universidade Tecnológica de Nanyang

    A equipe acredita que sua inovação é um avanço fundamental no desenvolvimento de fibras semicondutoras que são ultralongas e duráveis, o que significa que são econômicas e escaláveis, ao mesmo tempo que oferecem excelentes características elétricas e optoeletrônicas (o que significa que podem detectar, transmitir e interagir com a luz). desempenho.

    O professor associado da NTU, Wei Lei, da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica (EEE) e principal investigador do estudo, disse:"A fabricação bem-sucedida de nossas fibras semicondutoras de alta qualidade se deve à natureza interdisciplinar de nossa equipe.

    “A fabricação de fibras semicondutoras é um processo altamente complexo, exigindo conhecimento de especialistas em ciência de materiais, engenharia mecânica e elétrica em diferentes estágios do estudo.

    “O esforço colaborativo da equipe nos permitiu uma compreensão clara dos mecanismos envolvidos, o que, em última análise, nos ajudou a abrir a porta para fios livres de defeitos, superando um desafio de longa data na tecnologia de fibra”.

    Desenvolvimento de fibra semicondutora


    Para desenvolver suas fibras livres de defeitos, a equipe liderada pela NTU selecionou pares de material semicondutor comum e material sintético – um núcleo semicondutor de silício com um tubo de vidro de sílica e um núcleo de germânio com um tubo de vidro de aluminossilicato. Os materiais foram selecionados com base em seus atributos que se complementavam.

    Isso incluía estabilidade térmica, condutividade elétrica e a capacidade de permitir a passagem de corrente elétrica (resistividade).

    O silício foi selecionado por sua capacidade de ser aquecido a altas temperaturas e manipulado sem se degradar e por sua capacidade de trabalhar na faixa de luz visível, tornando-o ideal para uso em dispositivos destinados a condições extremas, como sensores nas roupas de proteção de bombeiros.

    O germânio, por outro lado, permite que os elétrons se movam rapidamente através da fibra (mobilidade da portadora) e trabalhem na faixa infravermelha, o que o torna adequado para aplicações em sensores vestíveis ou baseados em tecido (ou seja, cortinas, toalhas de mesa) que são compatíveis com redes ópticas sem fio internas de fidelidade de luz ("LiFi").

    Em seguida, os cientistas inseriram o material semicondutor (núcleo) dentro do tubo de vidro, aquecendo-o em alta temperatura até que o tubo e o núcleo estivessem macios o suficiente para serem puxados em um fio fino e contínuo (veja a imagem abaixo).

    Devido aos diferentes pontos de fusão e taxas de expansão térmica dos materiais selecionados, o vidro funcionou como uma garrafa de vinho durante o processo de aquecimento, contendo o material semicondutor que, como o vinho, enche a garrafa à medida que derrete.

    O primeiro autor do estudo, Dr. Wang Zhixun, pesquisador da Escola de EEE, disse:"Foi necessária uma extensa análise antes de chegar à combinação certa de materiais e processos para desenvolver nossas fibras. Explorando os diferentes pontos de fusão e taxas de expansão térmica dos materiais escolhidos, puxamos com sucesso os materiais semicondutores em longos fios à medida que entravam e saíam do forno de aquecimento, evitando defeitos."

    O vidro é removido assim que o fio esfria e combinado com um tubo de polímero e fios de metal. Após outra rodada de aquecimento, os materiais são puxados para formar um fio flexível e fino como um fio de cabelo.

    Em experimentos de laboratório, as fibras semicondutoras apresentaram excelente desempenho. Quando submetidas a testes de responsividade, as fibras puderam detectar toda a faixa de luz visível, do ultravioleta ao infravermelho, e transmitir sinais de forma robusta com largura de banda de até 350 quilohertz (kHz), tornando-a um desempenho de ponta em seu tipo. Além disso, as fibras eram 30 vezes mais resistentes que as normais.

    As fibras também foram avaliadas quanto à sua lavabilidade, em que um pano tecido com fibras semicondutoras foi lavado em máquina de lavar 10 vezes, e os resultados não mostraram queda significativa no desempenho da fibra.

    O co-investigador principal, o distinto professor universitário Gao Huajian, que completou o estudo enquanto estava na NTU, disse:“O silício e o germânio são dois semicondutores amplamente utilizados que geralmente são considerados altamente frágeis e propensos a fraturas.

    “A fabricação de fibra semicondutora ultralonga demonstra a possibilidade e a viabilidade de fabricar componentes flexíveis usando silício e germânio, proporcionando amplo espaço para o desenvolvimento de dispositivos vestíveis flexíveis de vários formatos.

    "A seguir, nossa equipe trabalhará em colaboração para aplicar o método de fabricação de fibras a outros materiais desafiadores e para descobrir mais cenários onde as fibras desempenham papéis importantes."
    Um diagrama esquemático do método de fabricação de fibra semicondutora desenvolvido pela equipe de pesquisa da NTU. Crédito:Universidade Tecnológica de Nanyang

    A compatibilidade com os métodos de produção da indústria sugere uma fácil adoção

    Para demonstrar a viabilidade de uso em aplicações da vida real, a equipe construiu eletrônicos vestíveis inteligentes usando suas fibras semicondutoras recém-criadas. Isso inclui um gorro, um suéter e um relógio que pode detectar e processar sinais.

    Para criar um dispositivo que auxilie os deficientes visuais a atravessar estradas movimentadas, a equipe da NTU teceu fibras em um gorro, juntamente com uma placa de interface. Quando testado experimentalmente ao ar livre, os sinais de luz recebidos pelo gorro foram enviados para um aplicativo de celular, disparando um alerta.

    Enquanto isso, uma camisa tecida com as fibras funcionava como um “top inteligente”, que poderia ser usado em um museu ou galeria de arte para receber informações sobre exposições e colocá-las em um fone de ouvido enquanto o usuário caminhava pelas salas.

    Um smartwatch com pulseira integrada às fibras funcionava como um sensor flexível e conformado para medir a frequência cardíaca, ao contrário dos designs tradicionais onde um sensor rígido é instalado no corpo do smartwatch, que pode não ser confiável em circunstâncias em que os usuários são muito ativo e o sensor não está em contato com a pele.

    Além disso, as fibras substituíram sensores volumosos no corpo do smartwatch, economizando espaço e liberando oportunidades de design para relógios mais finos.

    O co-autor, Dr. Li Dong, pesquisador da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, disse:"Nosso método de fabricação de fibra é versátil e facilmente adotado pela indústria. A fibra também é compatível com as máquinas atuais da indústria têxtil, o que significa que tem o potencial para produção em larga escala.

    "Ao demonstrar o uso das fibras em itens de uso diário, como um gorro e um relógio, provamos que os resultados de nossa pesquisa podem servir como um guia para a criação de fibras semicondutoras funcionais no futuro."

    Para os próximos passos, os pesquisadores planejam ampliar os tipos de materiais utilizados nas fibras e criar semicondutores com diferentes núcleos ocos, como formatos retangulares e triangulares, para ampliar suas aplicações.

    Mais informações: Zhixun Wang et al, Fibras semicondutoras de alta qualidade via projeto mecânico, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0
    Informações do diário: Natureza

    Fornecido pela Universidade Tecnológica de Nanyang



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