Empa desarrolla sensores y pantallas biodegradables

¿Fabricar sensores y pantallas biodegradables mediante impresión 3D? Un material que hace exactamente eso ha sido desarrollado por investigadores del laboratorio de Empa «Cellulose & Wood Materials» a base de celulosa. La mezcla de hidroxi-propilo-celulosa, agua, nanotubos de carbono y nanofibras de celulosa cambia de color según la temperatura y la tensión, ¡y todo esto sin adición de pigmentos!

(Dübendorf) ¿Un material elástico que cambia de color, conduce electricidad, se puede imprimir en 3D y además es biodegradable? No es solo un deseo de la ciencia: exactamente este «animal de granja que pone huevos» ha sido creado por investigadores de Empa en el laboratorio «Cellulose & Wood Materials» en Dübendorf, basado en celulosa y nanotubos de carbono.

Como materia prima, los investigadores utilizaron hidroxi-propilo-celulosa (HPC), que se utiliza entre otras cosas como excipiente en productos farmacéuticos, cosméticos y alimentos. Una particularidad de la HPC es que forma cristales líquidos tras la adición de agua. Estos cristales líquidos tienen una propiedad notable: dependiendo de la estructura cristalina, que depende entre otras cosas de la concentración de HPC, brillan en los colores más diversos, aunque en realidad son incoloros o sin pigmento. Este fenómeno se llama coloración estructural y es conocido en la naturaleza: las plumas de pavo real, las alas de mariposa y la piel del camaleón obtienen su colorido total o parcialmente no a través de colorantes, sino a través de estructuras microscópicas que «descomponen» la luz blanca del día que incide en sus colores espectrales y reflejan solo ciertas longitudes de onda, es decir, colores.

El color también cambia con la temperatura

El color estructural de la HPC no solo cambia con la concentración, sino también con la temperatura. Para poder aprovechar mejor esta propiedad, los investigadores liderados por Gustav Nyström añadieron al mezcla de HPC y agua un 0.1 por ciento en masa de nanotubos de carbono. Esto hace que el líquido sea eléctricamente conductivo y permite a los investigadores controlar la temperatura, y por lo tanto el color de los cristales líquidos, aplicando una tensión eléctrica. Bonificación: el carbono actúa como un absorbente de banda ancha, intensificando los colores. Con un aditivo adicional, una pequeña cantidad de nanofibras de celulosa, el equipo de Nyström también logró hacer que la mezcla fuera imprimible en 3D, sin afectar la coloración y la conductividad.

Biodegradable: La pantalla consta de 7 segmentos conductores que cambian de color mediante el calor eléctrico

Mediante impresión 3D, los investigadores fabricaron diferentes ejemplos de aplicación a partir de la novedosa mezcla de celulosa. Entre ellos, un sensor de deformación que cambia de color según la deformación mecánica, así como una pantalla simple compuesta por siete segmentos controlados eléctricamente. «Ya hemos desarrollado diferentes componentes electrónicos en nuestro laboratorio basados en celulosa, como baterías y sensores», dice Xavier Aeby, coautor del estudio. «Esta es la primera vez que también hemos podido desarrollar una pantalla a base de celulosa.»

Diferentes aplicaciones son posibles

En el futuro, la tinta a base de celulosa podría encontrar numerosas aplicaciones muy diversas, como sensores de temperatura y deformación, control de calidad de alimentos o diagnóstico biomédico. «Los materiales sostenibles que se pueden imprimir en 3D son de gran interés, entre otras cosas para aplicaciones en electrónica biodegradable y para el Internet de las Cosas», dice el jefe del laboratorio Nyström. «Todavía hay muchas preguntas abiertas sobre cómo se produce realmente la coloración estructural y cómo puede cambiarse mediante diferentes aditivos o influencias ambientales.» Nyström y su equipo continuarán investigando esto con la esperanza de descubrir fenómenos y posibilidades de aplicación aún más interesantes.

Fotos: © Empa