Elettronica sostenibile in legno grazie al ferro

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3680 (2022) Citare questo articolo

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L’elettronica ecologica del legno aiuterà ad alleviare le carenze della “elettronica verde” all’avanguardia basata sulla cellulosa. Qui presentiamo la grafitizzazione indotta da laser catalizzata da ferro (IC-LIG) come approccio innovativo per incidere strutture elettricamente conduttive su larga scala su legno con altissima qualità ed efficienza, superando i limiti della LIG convenzionale tra cui elevata ablazione, danni termici, necessità per passaggi laser multipli, utilizzo di ritardanti di fiamma e atmosfere inerti. Un rivestimento acquoso a base biologica, ispirato allo storico inchiostro ferro-gallico, protegge il legno dall'ablazione laser e dai danni termici, promuovendo al contempo un'efficiente grafitizzazione e levigando le irregolarità del substrato. Aree superficiali su larga scala (100 cm2), altamente conduttive (≥2500 S m−1) e omogenee vengono incise in un unico passaggio in atmosfera ambiente con un laser CO2 convenzionale, anche su impiallacciature di legno molto sottili (∼450 µm). Dimostriamo la validità del nostro approccio trasformando il legno in sensori di deformazione altamente durevoli, elettrodi flessibili, pannelli touch capacitivi e un dispositivo elettroluminescente basato su LIG.

Lo sviluppo di dispositivi elettronici da materiali rinnovabili e biodegradabili utilizzando processi di produzione rispettosi dell’ambiente (“elettronica verde”) è obbligatorio per soddisfare le esigenze di una società sostenibile1. La prevista implementazione dell’approccio dell’Internet delle cose (IoT) agli edifici intelligenti e persino alle città pone sfide irrisolte in termini di portata e durabilità dei materiali elettronici sostenibili2,3. L'elettronica verde all'avanguardia è oggi dominata da dispositivi monouso relativamente piccoli, realizzati con materiali a base di (nano-)cellulosa4,5,6. Tuttavia, la loro sostenibilità potrebbe essere messa in discussione dalle numerose fasi impegnative, in termini di quantità di energia e sostanze chimiche, necessarie per l’isolamento e il riassemblaggio della cellulosa in materiali funzionali. L'utilizzo del legno come substrato per i dispositivi elettronici può aiutare a risolvere questo problema alla radice. I materiali in legno sono particolarmente utili anche per applicazioni che richiedono non solo elevata resistenza meccanica e scalabilità, come il monitoraggio della salute strutturale (ad esempio, sensori di deformazione incorporati in strutture portanti), ma anche aspetti estetici e tattili di valore (come touch-screen e display luminosi come interfacce uomo-macchina negli edifici intelligenti).

Il legno è una risorsa naturale rinnovabile e biodegradabile che immagazzina CO2, un eccellente materiale da costruzione all'avanguardia con un'estetica e una sensazione al tatto molto apprezzate, leggero ma con elevata resistenza meccanica. Lo sviluppo dell'elettronica del legno è stato finora limitato dalla complessa struttura del legno e dalla mancanza di conduttività elettrica intrinseca. Precedenti tentativi verso materiali in legno elettricamente conduttivi hanno incluso il rivestimento superficiale con nanofili metallici7 e inchiostri a base di carbonio8, nonché l'impregnazione in massa, ad esempio con metalli a basso punto di fusione9. In questi approcci, indipendentemente dalla loro limitata sostenibilità, il legno è stato utilizzato come substrato passivo. Come per altri substrati biologici, la grafitizzazione del legno in condizioni adeguate può produrre materiali simili al grafene e alla grafite con proprietà elettriche ragionevoli (>500 S m−1 e <1 kΩ ◻−1)10,11,12,13. Tuttavia, ciò avviene solitamente a scapito dell’integrità strutturale e meccanica. Trovare un modo per confinare selettivamente la grafitizzazione sulla superficie del legno, fino a diversi micron ma lasciando intatta la massa, aprirebbe nuove strade per l’elettronica del legno.

La grafitizzazione indotta dal laser (LIG) è stata utilizzata per convertire una varietà di precursori inorganici14,15 e organici in materiali elettricamente conduttivi16,17,18. Questo processo di grafitizzazione può essere meglio descritto come una conversione fototermica e fotochimica combinata di un precursore che porta a un materiale carbonioso poroso. LIG è una tecnica economica caratterizzata da elevate velocità di elaborazione e flessibilità, che rende possibile combinare l'incisione laser di modelli grafitizzati con morfologia controllata19 insieme al taglio laser. I primi tentativi di grafitizzazione indotta dal laser di materiali biologici16,20 hanno portato a prodotti con proprietà elettriche e strutturali ragionevoli, ma non del tutto sufficienti, per la maggior parte delle applicazioni previste, come sensori e attuatori su larga scala.