Materiales del futuro: Grafeno y lignina

El uso de la madera en la construcción ha resurgido debido a la creciente preocupación por el impacto ambiental del hormigón. Sin embargo, la madera absorbe la humedad de su entorno, lo que provoca la pudrición, el moho y otros tipos de daños. Solo en Suecia, el coste de reparación de daños por agua en edificios supera los 500.000.000 de euros al año. Para abordar este problema, los investigadores de Graphene Flagship Associated Member Research Institutes of Sweden (RISE) han desarrollado un sensor de grafeno incrustado en la madera que puede detectar tanto la humedad ambiental como la humedad dentro de la madera.

RISE coordina el Centro de Celulosa Digital (DCC), cuyo objetivo es hacer que los materiales y productos de origen forestal formen parte del mundo digital, a través de la electrónica sostenible y la economía circular. "El sensor de humedad y humedad de grafeno realmente ha demostrado una forma sostenible para la electrónica y ha suscitado un gran interés entre los socios académicos e industriales de DCC", dice la directora del Centro DCC, Ursula Hass, que tiene su sede en RISE.

En este método de "Lignografía", el equipo diseñó sensores utilizando una tinta imprimible compuesta de lignina, un polímero orgánico complejo que se encuentra en las paredes celulares de muchas plantas y un subproducto de la industria del papel y la pulpa, y celulosa, que se convirtió en grafito o grafeno tras la irradiación con un rayo láser.

Luego del proceso de grafitización, estos sensores pudieron medir niveles de humedad en un rango de 10% a 90% a 25°C en diferentes tipos de madera. Los sensores fabricados en madera de abeto y pino exhibieron una alta sensibilidad, con valores de 2,6 y 0,74 MΩ por cada 1% de aumento de humedad, respectivamente. Finalmente, los investigadores demostraron que los cambios en la humedad recopilados por estos sensores pueden leerse de forma remota a través de una computadora conectada o visualizarse con un sistema LED simple.

Sensor de humedad fabricado en madera de abeto disponible comercialmente. a) La madera se revistió primero con una tinta a base de agua que contenía lignina y polímeros de celulosa en forma de abeto. Posteriormente, se utilizó un láser de CO2 para producir dos electrodos de carbono a partir del recubrimiento de tinta, mientras se dejaba algo de tinta intacta entre los electrodos para que funcionara como una capa de adsorción para la detección de humedad. b) Dos sensores fabricados sobre una superficie de madera, uno sellado desde el frente, mientras que el otro se mantuvo abierto al entorno ambiental. (Crédito: SUBIDA)

Los investigadores de RISE también han demostrado componentes electrónicos grafitizados con lignina, como resistencias y recolectores de energía triboeléctrica, que involucran procesos de "lignografía" similares.

"La investigación de nuestro grupo allana el camino para el desarrollo de sensores, recolectores de energía y dispositivos y circuitos electrónicos basados ​​en biografeno basados ​​en materiales sostenibles y reciclables, como madera y papel. Al utilizar estos materiales que se pueden desechar en papel contenedores, esperamos eliminar la necesidad de contenedores electrónicos", explica Mohammad Yusuf Mulla de RISE.

Más allá de los sensores de humedad en la madera, los investigadores de RISE, en colaboración con Lignin Industries AB y Bloom Renewables SA, también están trabajando en nuevos tipos de materiales a base de lignina que pueden detectar la presión y las entradas mecánicas. Por ejemplo, estos "materiales inteligentes" se pueden usar para operar interruptores de encendido/apagado y controles de volumen doblando o golpeando en lugar de presionar botones.

El equipo prepara los materiales inteligentes a base de lignina mediante la modificación química de la lignina en formulaciones termoestables o termoplásticas. A estos compuestos se les añaden aditivos funcionales como BaTiO3 y óxido de grafeno reducido. Cuando se aplica una fuerza externa a un cristal de BaTiO3, la estructura del cristal se distorsiona, lo que hace que sus cargas positivas y negativas se separen y genere un campo eléctrico. Al mismo tiempo, el grafeno, un excelente conductor de electricidad, aumenta la conductividad de los compuestos a base de lignina, lo que permite la transferencia eficiente de cargas eléctricas. En comparación con los materiales piezoeléctricos comerciales a base de plomo, los materiales a base de lignina son un aditivo más seguro y sostenible para sensores táctiles y de presión.

"Gracias a materiales novedosos como el grafeno, visualizamos una futura generación de materiales que podrían extraerse de la madera en lugar del petróleo y hacer cosas interesantes con un toque de nuestros dedos", dice Abhilash Sugunan de RISE.

Referencias

Mulla, Mohammad Yusuf, et al. "Sensores de biografeno para monitorear los niveles de humedad en la madera y el medio ambiente". Desafíos globales (2023): 2200235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202200235

Edberg, Jesper, et al. "Una cosechadora de energía triboeléctrica basada en bosques". Desafíos globales 6.10 (2022): 2200058. https://doi.org/10.1002/gch2.202200058

Edberg, Jesper, et al. "Grafitización inducida por láser de una tinta de origen forestal para su uso en electrónica flexible e impresa". npj Electrónica flexible 4.1 (2020): 17. https://www.nature.com/articles/s41528-020-0080-2

Centro de celulosa digital (DCC), https://digitalcelulosacenter.se/

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversity in Graphene'.

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversity in Graphene'.