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Jul 25, 2023

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 pudrición, moho y

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 pudrición, moho y otros tipos de daños. Sólo en Suecia, el coste de reparación de daños causados ​​por el agua en los edificios supera los 500.000.000 de euros al año. Para abordar este problema, investigadores de los Institutos de Investigación de Suecia (RISE), miembros emblemáticos del grafeno, 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 forestales formen parte del mundo digital, a través de la electrónica sostenible y la economía circular. "El sensor de humedad y humedad de grafeno ha demostrado realmente una forma sostenible para la electrónica y ha despertado un gran interés entre los socios académicos e industriales del DCC", dice la directora del Centro DCC, Ursula Hass, con 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 convirtieron en grafito o grafeno tras la irradiación con un rayo láser.

Tras el proceso de grafitización, estos sensores lograron medir niveles de humedad en un rango del 10% al 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 de humedad recogidos por estos sensores pueden leerse remotamente a través de un ordenador conectado o visualizarse con un simple sistema LED.

Sensor de humedad fabricado en madera de abeto disponible comercialmente. a) Primero se recubrió la madera 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, dejando 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 ambiente. (Crédito: SUBIR)

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 basados ​​en biografeno, recolectores de energía y dispositivos y circuitos electrónicos basados ​​en materiales sostenibles y reciclables, como la madera y el papel. Al utilizar estos materiales que pueden desecharse en contenedores de papel, 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 presión y entradas mecánicas. Por ejemplo, estos 'materiales inteligentes' se pueden utilizar para operar interruptores de encendido/apagado y controles de volumen mediante la flexión o el toque en lugar de presionar botones.

El equipo prepara los materiales inteligentes a base de lignina modificando químicamente 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 cristalina se distorsiona, provocando que sus cargas positivas y negativas se separen y dando como resultado la generación de 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, imaginamos una generación futura de materiales que podrían extraerse de la madera en lugar del petróleo y hacer cosas interesantes con solo tocar 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 ambiente". Desafíos globales (2023): 2200235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202200235

Edberg, Jesper y col. "Un recolector de energía triboeléctrica basado en el bosque". Desafíos Globales 6.10 (2022): 2200058. https://doi.org/10.1002/gch2.202200058

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

Centro de Celulosa Digital (DCC), https://digitalcellulosecenter.se/

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversidad en Grafeno'.

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversidad en Grafeno'.