Eletrônicos podem crescer em árvores graças aos semicondutores de papel de nanocelulose

Diagrama esquemático da preparação do nano-semicondutor derivado de nanocelulose de madeira com propriedades elétricas personalizáveis e estruturas 3D. Crédito:2022 Koga et al. Semicondutor de papel de nanocelulose com uma estrutura de rede 3D e seu design trans-escala nano−micro−macro. ACS Nano

Nanomateriais semicondutores com estruturas de rede 3D possuem áreas superficiais elevadas e muitos poros que os tornam excelentes para aplicações envolvendo adsorção, separação e detecção. No entanto, controlar simultaneamente as propriedades elétricas e criar estruturas úteis em micro e macroescala, ao mesmo tempo em que alcança excelente funcionalidade e versatilidade de uso final, continua sendo um desafio. Agora, pesquisadores da Universidade de Osaka, em colaboração com a Universidade de Tóquio, a Universidade de Kyushu e a Universidade de Okayama, desenvolveram um semicondutor de papel de nanocelulose que fornece designabilidade trans-escala nano-micro-macro das estruturas 3D e ampla sintonização das propriedades elétricas . Suas descobertas são publicadas no ACS Nano .
A celulose é um material natural e de fácil obtenção derivado da madeira. As nanofibras de celulose (nanocelulose) podem ser transformadas em folhas de papel nanocelulósico flexível (nanopapel) com dimensões semelhantes às do padrão A4. O nanopapel não conduz corrente elétrica; no entanto, o aquecimento pode introduzir propriedades condutoras. Infelizmente, esta exposição ao calor também pode perturbar a nanoestrutura.

Os pesquisadores, portanto, desenvolveram um processo de tratamento que lhes permite aquecer o nanopapel sem danificar as estruturas do papel da nanoescala até a macroescala.

"Uma propriedade importante para o semicondutor de nanopapel é a sintonização, porque isso permite que os dispositivos sejam projetados para aplicações específicas", explica o autor do estudo, Hirotaka Koga. "Aplicamos um tratamento de iodo que foi muito eficaz para proteger a nanoestrutura do nanopapel. Combinando isso com secagem controlada espacialmente, o tratamento de pirólise não alterou substancialmente as estruturas projetadas e a temperatura selecionada poderia ser usada para controlar as propriedades elétricas."

(a) Afinação ampla e sistemática das propriedades elétricas e (b) designabilidade trans-escala nano-micro-macro de estruturas 3D do semicondutor como preparado (denominado semicondutor de nanopapel). Crédito:2022 Koga et al. Semicondutor de papel de nanocelulose com uma estrutura de rede 3D e seu design trans-escala nano−micro−macro. ACS Nano

Os pesquisadores usaram técnicas de origami (dobragem de papel) e kirigami (corte de papel) para fornecer exemplos lúdicos da flexibilidade do nanopapel no nível macro. Um pássaro e uma caixa foram dobrados, formas como uma maçã e um floco de neve foram perfuradas e estruturas mais intrincadas foram produzidas por corte a laser. Isso demonstrou o nível de detalhamento possível, bem como a ausência de danos causados pelo tratamento térmico.

Exemplos de aplicações bem-sucedidas mostraram sensores semicondutores de nanopapel incorporados em dispositivos vestíveis para detectar umidade exalada rompendo máscaras faciais e umidade na pele. O semicondutor de nanopapel também foi usado como eletrodo em uma célula de biocombustível de glicose e a energia gerada acendeu uma pequena lâmpada.

Demonstrações de dispositivos usando o semicondutor nanopaper. (a) Sensor vestível para monitorar o vapor de água derivado da exalação humana vazado de máscaras faciais. Máscara lavável:foram observados pulsos de resposta do sensor correspondentes à respiração, indicando um vazamento de vapor de água da máscara lavável. Máscara cirúrgica:Observou-se apenas uma diminuição gradativa da resistência do sensor, indicando a efetiva captura de vapor d'água da máscara cirúrgica. (b) Célula de biocombustível de glicose para geração de energia. O semicondutor de nanopapel demonstrou uma densidade de potência 14 vezes maior que a de uma folha de grafite comercial e levou à iluminação de um LED vermelho. Crédito:2022 Koga et al. Semicondutor de papel de nanocelulose com uma estrutura de rede 3D e seu design trans-escala nano−micro−macro. ACS Nano

"A manutenção e afinação da estrutura que pudemos mostrar é muito encorajadora para a tradução de nanomateriais em dispositivos práticos", diz o professor associado Koga. “Acreditamos que nossa abordagem sustentará os próximos passos em eletrônicos sustentáveis feitos inteiramente de materiais vegetais”.

O artigo, "Semicondutor de papel de nanocelulose com uma estrutura de rede 3D e seu design trans-escala nano−micro−macro", foi publicado em ACS Nano . + Explorar mais