Raízes de árvores inspiram eletrônicos flexíveis robustos

Pesquisadores desenvolveram uma solução de ponta para os chamados “eletrônicos conformais”, circuitos eletrônicos flexíveis que são cruciais para aplicações que vão da robótica comum às peles inteligentes e equipamentos sensoriais.

Já existem várias abordagens para a criação desses eletrônicos maleáveis, mas eles têm sofrido com vulnerabilidades mecânicas e térmicas significativas.

Isso levou Guifang Liu e colegas da Universidade Jiaotong de Xian, na China, a procurar soluções na natureza. Eles encontraram um caminho no sistema de raízes das árvores, criando uma nova abordagem para a tecnologia de impressão de circuitos eletrônicos que eles chamam de “manufatura aditiva com restrição de modelo”.

Os métodos de impressão 3D tradicionais geralmente produzem circuitos propensos a rasgos, rachaduras e outras formas de danos, limitando seu desempenho e confiabilidade. Além disso, criar circuitos de alta resolução com uma ampla variedade de materiais continua sendo uma tarefa complexa, exigindo o desenvolvimento de técnicas de fabricação inovadoras para abordar a durabilidade mecânica e a precisão dos circuitos eletrônicos.

A nova técnica resultou em um aumento dramático na robustez mecânica dos circuitos, permitindo que eles suportem condições extremas, incluindo temperaturas de até 350 °C e desgaste mecânico intenso. A tecnologia também alcançou capacidades de impressão de alta resolução, com uma precisão de até 300 nanômetros, além de funcionar com uma gama diversificada de materiais, de ligas piezoelétricas a nanotubos de carbono e nanopartículas de prata.

Sistema de sensores construídos com a nova técnica.
[Imagem: Guifang Liu et al. – 10.1038/s41378-024-00840-z]

Inspiração nas raízes das árvores

A tecnologia de impressão revoluciona a fabricação de circuitos conformais sobretudo por permitir a incorporação de adesivos nos materiais funcionais, o que cria uma interface de intertravamento profunda que fortalece significativamente a integridade mecânica dos circuitos. Isso permite que os circuitos mantenham seu desempenho elétrico, mesmo sob condições ambientais extremas.

A inspiração veio do sistema radicular das árvores que, ao penetrar no solo, promove um empilhamento firme das partículas e uma ligação com o substrato, reforçando assim a capacidade da árvore de resistir às cargas, garantindo sua estabilidade. De modo análogo, a penetração do adesivo no material funcional aumenta a robustez mecânica dos circuitos, permitindo que eles mantenham seu desempenho elétrico mesmo na presença de fatores externos como arranhões, abrasão, dobras ou altas temperaturas.

O método também permite a criação de circuitos multicamadas e autoalinhados, superando muitas das limitações das técnicas de impressão tradicionais.

Como prova do potencial da técnica, a equipe utilizou-a para criar sensores conformais de temperatura e de umidade, bem como sistemas de armazenamento de energia ultrafinos, baseados em materiais piezoelétricos – isso permite tanto a criação de supercapacitores, para armazenar energia, quanto nanogeradores triboelétricos, para gerar energia.

“A tecnologia de impressão representa um grande salto à frente no campo da eletrônica conformal. Ao nos inspirarmos na natureza, desenvolvemos uma solução que não apenas melhora a durabilidade dos circuitos eletrônicos, mas também atinge precisão e versatilidade notáveis. Isso a torna ideal para uma ampla gama de aplicações, de vestíveis a robótica avançada,” disse o professor Jinyou Shao.

Protótipos de circuitos que se conformam a várias superfícies.
[Imagem: Guifang Liu et al. – 10.1038/s41378-024-00840-z]

Aplicações

As implicações desta nova técnica de impressão são vastas.

Com sua capacidade de criar circuitos conformais duráveis e de alta resolução, a tecnologia está pronta para ser utilizada pela indústria dos veículos autônomos, onde os sensores devem suportar condições ambientais adversas. Na robótica, a tecnologia promete melhorar o desempenho e a confiabilidade dos componentes eletrônicos integrados em revestimentos e juntas robóticas.

Além disso, a impressão viabiliza a integração robusta de eletrônicos em objetos do cotidiano, como dispositivos vestíveis e tecidos inteligentes. Sua flexibilidade e precisão também têm o potencial de impulsionar avanços na eletrônica aeroespacial e biomédica, onde durabilidade e exatidão são cruciais.