Materiais do futuro: grafeno e lignina

O uso da madeira na construção ressurgiu devido à crescente preocupação com o impacto ambiental do concreto. No entanto, a madeira absorve a umidade de seus arredores, levando ao apodrecimento, mofo e outros tipos de danos. Só na Suécia, o custo de reparação de danos causados ​​pela água em edifícios ultrapassa os 500 milhões de euros por ano. Para resolver esse problema, pesquisadores do Graphene Flagship Associated Member Research Institutes of Sweden (RISE) desenvolveram um sensor de grafeno embutido na madeira que pode detectar tanto a umidade do ambiente quanto a umidade dentro da madeira.

A RISE coordena o Centro Digital de Celulose (DCC), que visa inserir materiais e produtos de origem florestal no mundo digital, por meio da eletrônica sustentável e da economia circular. “O sensor de umidade e umidade de grafeno realmente demonstrou uma maneira sustentável para a eletrônica e despertou um grande interesse dos parceiros acadêmicos e industriais do DCC”, disse a diretora do DCC Center, Ursula Hass, que mora na RISE.

Neste método de "Lignografia", a equipe padronizou sensores usando uma tinta imprimível composta de lignina – um polímero orgânico complexo encontrado nas paredes celulares de muitas plantas e um subproduto da indústria de papel e celulose – e celulose, que foram convertidos em grafite ou grafeno após irradiação com um feixe de laser.

Seguindo o processo de grafitização, esses sensores foram capazes de medir níveis de umidade na faixa de 10% a 90% a 25°C em diferentes tipos de madeira. Os sensores fabricados em madeira de abeto e pinho apresentaram alta sensibilidade, com valores de 2,6 e 0,74 MΩ para cada 1% de aumento de umidade, respectivamente. Por fim, os pesquisadores mostraram que as variações de umidade coletadas por esses sensores podem ser lidas remotamente por meio de um computador conectado ou visualizadas com um simples sistema de LED.

Sensor de umidade fabricado em madeira de abeto comercialmente disponível. a) A madeira foi primeiro revestida com uma tinta à base de água contendo lignina e polímeros de celulose na forma de uma árvore de abeto. Um laser de CO2 foi subsequentemente usado para produzir dois eletrodos de carbono a partir do revestimento de tinta, deixando alguma tinta intocada entre os eletrodos para funcionar como uma camada de adsorção para detecção de umidade. b) Dois sensores fabricados em superfície de madeira, um selado pela parte frontal, enquanto o outro foi mantido aberto ao ambiente. (Crédito: RISE)

Os pesquisadores da RISE também demonstraram componentes eletrônicos grafitizados com lignina, como resistores e coletores de energia triboelétrica, envolvendo processos de "lignografia" semelhantes.

"A pesquisa do nosso grupo abre caminho para o desenvolvimento de sensores baseados em biografeno, coletores de energia, dispositivos e circuitos eletrônicos baseados em materiais sustentáveis ​​e recicláveis, como madeira e papel. Ao utilizar esses materiais que podem ser descartados em papel lixeiras, esperamos eliminar a necessidade de lixeiras eletrônicas", explica Mohammad Yusuf Mulla da RISE.

Além dos sensores de umidade na madeira, os pesquisadores da RISE em colaboração com a Lignin Industries AB e a Bloom Renewables SA também estão trabalhando em novos tipos de materiais à base de lignina que podem detectar pressão e entradas mecânicas. Por exemplo, esses 'materiais inteligentes' podem ser usados ​​para operar interruptores liga/desliga e controles de volume dobrando ou tocando em vez de pressionar botões.

A equipe prepara os materiais inteligentes à base de lignina modificando quimicamente a lignina em formulações termofixas ou termoplásticas. Aditivos funcionais como BaTiO3 e óxido de grafeno reduzido são adicionados a esses compósitos. Quando uma força externa é aplicada a um cristal de BaTiO3, a estrutura do cristal é distorcida, fazendo com que suas cargas positivas e negativas se separem e resultando na geração de um campo elétrico. Ao mesmo tempo, o grafeno – um excelente condutor de eletricidade – aumenta a condutividade dos compósitos à base de lignina, permitindo a transferência eficiente de cargas elétricas. Comparados aos materiais piezoelétricos comerciais à base de chumbo, os materiais à base de lignina são aditivos mais seguros e sustentáveis ​​para sensores de toque e pressão.