Bambutrônica: Estrutura de canais de bambu pode ser usada em microcircuitos elétricos e eletroquímicos

Publicado em 28/02/2020
Assessoria de Comunicação em 28/02/2020

Pesquisa do CNPEM em parceria com a PUC-RIO superou um desafio na fabricação de microcanais com alta condutividade elétrica e abre caminho para o uso em dispositivos eletrônicos e eletroquímicos

Imagine se uma lâmina de bambu pudesse ser transformada em dispositivos elétricos ou eletroquímicos. Instalar microcircuitos integrados capazes de acender luzes, atuar como sensores, e aquecer água ou outros líquidos.

Este estudo adicionou uma nova propriedade ao bambu que foi atingida deixando os canais da sua complexa estrutura vegetal arquitetada pela natureza excelentes condutores elétricos. Assim, além da sua conhecida resistência mecânica, já aproveitada na construção civil e indústria moveleira, a condutividade elétrica da matriz vegetal trouxe uma nova função a ser explorada em circuitos eletrônicos tridimensionais, aquecedores microfluídicos e sensores integrados em casas inteligentes e sustentáveis.

O desafio tecnológico foi superado pelos pesquisadores Mathias Strauss e Murilo Santhiago do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e Omar Ginoble Pandoli da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e suas equipes financiadas pelo Instituto Serrapilheira usando a estrutura natural do bambu, e acaba de ser publicado como artigo no renomado Journal of Materials Chemistry A, da Royal Society of Chemistry (RSC) (https://doi.org/10.1039/C9TA13069A).

Dispositivo eletrônico tridimensional usando o bambu (Divulgação: CNPEM)

Os cientistas observaram que o bambu apresenta uma grande quantidade de microcanais da espessura de um fio de cabelo, perfeitamente alinhados. Foi possível identificar entre 40 a 60 destes microcanais a cada 1 centímetro da parede do colmo do bambu. Esses microcanais constituem o sistema vascular da planta que permite o transporte de água e nutrientes para toda a planta. Esta rede de microtubos (feixes vasculares) são necessários para a planta crescer rapidamente, em algumas  das espécies até 1 metro por semana.

O uso de sofisticados equipamentos de microscopia eletrônica do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) permitiu mapear com precisão toda a estrutura e abriu possibilidades de usá-las para construir circuitos elétricos e dispositivos eletroquímicos integrados.

Os microcanais do bambu foram revestidos internamente com uma tinta metálica, conhecida pela alta condutividade elétrica, por um processo simples que mantém os canais desobstruídos para a passagem de líquidos e incorporação de outros nanomateriais (Figura 1).

Fig. 1 Microtomografia de raios X obtida antes (a) e após (b) o recobrimento das paredes do canal com uma tinta metálica coloidal

Após esta modificação os microcanais passaram a conduzir com eficiência a eletricidade, bem como permite fluir líquidos através dos mesmos já que permanecem ainda abertos e ocos. Esse arranjo permitiu, por exemplo, usá-lo como um aquecedor microfluídico perfeitamente integrado à estrutura natural do bambu. Ajustando a corrente elétrica que passa pelo interior do bambu foi possível aquecer a água a mais de 50 oC.

A integração de um material condutor nos feixes vasculares do bambu permitiu também tirar proveito para outras aplicações, como usar os microcanais condutores para construir um sistema integrado de microssensores eletroquímicos e circuitos elétricos dos mais variados tipos.

 

Vantagens

Entre as principais vantagens de se aproveitar do bambu para construir esses circuitos elétricos é a enorme dificuldade e custo de se usar meios convencionais da indústria para fabricar microestruturas com este arranjo e dessa dimensão micrometrica. O recobrimento metálico é muito fino (10-15 µm), aproximadamente dez vezes menor que o diâmetro dos canais, resultando em um material extremamente leve e condutor.

Outra vantagem importante do uso do bambu é a escalabilidade na produção de produtos tecnológicos e sustentáveis. O bambu se desenvolve com muita rapidez e facilidade nos países tropicais, e por isto a maioria das economias em desenvolvimento poderiam explorar com vantagem competitiva esta nova tecnologia nas áreas energia, materiais inteligentes e educação.

A metodologia de fabricação e os dispositivos derivados dessa tecnologia foram patenteados com recurso da FAPERJ e do Instituto Serrapilheira, com intermediação da Agência de Inovação da PUC-RIO e da área de inovação da Unidade Embrapii Biomassa, do CNPEM.

 

Sobre o CNPEM

O Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) é uma organização social supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações e Comunicações (MCTIC). Localizado em Campinas-SP, possui quatro laboratórios referências mundiais e abertos à comunidade científica e empresarial. O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) opera a única fonte de luz Síncrotron da América Latina e está, nesse momento, envolvido no desenvolvimento do Sirius, o novo acelerador brasileiro, de quarta geração, para análise dos mais diversos tipos de materiais, orgânicos e inorgânicos; o Laboratório Nacional de Biociências (LNBio) promove pesquisa e inovação nas áreas de saúde e biotecnologia, com foco na descoberta de novos fármacos e mecanismos de doenças; o Laboratório Nacional de Biorrenováveis (LNBR) investiga novas tecnologias para a produção de etanol celulósico; e o Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) realiza pesquisas com materiais avançados, com grande potencial econômico para o país. Os quatro Laboratórios têm, ainda, projetos próprios de pesquisa e participam da agenda transversal de investigação coordenada pelo CNPEM, que articula instalações e competências científicas em torno de temas estratégicos.

 

Sobre o Centro Técnico Científico da PUC-Rio (CTC/PUC-RIO)

O CTC/PUC-Rio é um dos quatro Centros da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RIO) e engloba dez cursos de graduação em Engenharia, Sistemas de Informação, Ciência da Computação, e também os bacharelados em Química, Matemática e Física. Na pós-graduação, além dos tradicionais mestrados e doutorados acadêmicos, o CTC oferece ainda o Mestrado em Metrologia, Qualidade, Inovação e Sustentabilidade (Pós MQI) e os Mestrados Profissionais em Engenharia Urbana e Ambiental e o de Logística. De acordo com os resultados da última avaliação CAPES (2013-2016), dos 12 programas do CTC avaliados, cinco conquistaram nota máxima e outros três ficaram apenas um ponto abaixo, confirmando a PUC-Rio como referência de qualidade de ensino no Brasil e no exterior. Ao todo, o CTC/PUC-Rio agrega cerca de 5 mil alunos, 140 laboratórios de ponta e aproximadamente 300 professores, a maioria de tempo integral e com doutorado no exterior. Ciência, tecnologia e inovação estão presentes no dia a dia de todas as atividades do CTC, que tem como meta principal oferecer à sociedade brasileira formação de excelência em recursos humanos, além de pesquisas e soluções de nível internacional, equiparando-se às melhores universidades do mundo.