Diseño de materiales 'BTS' avanzados para temperatura y larga duración.

Característica del 20 de febrero de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los científicos de materiales a menudo se inspiran en la naturaleza y, por lo tanto, utilizan compuestos biológicos como pistas para diseñar materiales avanzados. Es posible imitar la estructura molecular y los motivos funcionales de materiales artificiales para ofrecer un modelo para una variedad de funciones. En un nuevo informe en Science Advances, Tae Hyun Kim y un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de California y el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung en los EE. UU. y Corea del Sur, crearon un polímero biomimético de detección térmica flexible, abreviado BTS, que diseñaron para imitar la dinámica del transporte de iones de la pectina; un componente de la pared celular vegetal.

Los investigadores utilizaron un procedimiento sintético versátil y diseñaron las propiedades del polímero para que fuera de naturaleza elástica, flexible y estirable. El polímero flexible superó a los materiales sensores de temperatura de última generación, como el óxido de vanadio. A pesar de las deformaciones mecánicas, el material integrado en el sensor térmico mostró una alta sensibilidad y una funcionalidad estable entre 15° y 55° Celsius. Las propiedades del polímero BTS flexible lo hicieron muy adecuado para mapear variaciones de temperatura en el espacio-tiempo y facilitar la fotodetección infrarroja de banda ancha relevante para una variedad de aplicaciones.

Los materiales electrónicos orgánicos son alternativas competitivas a la microelectrónica convencional basada en silicio debido a su naturaleza rentable y multifuncional. Los científicos de materiales buscan adaptar las propiedades de dichos materiales a nivel molecular para una variedad de aplicaciones de detección para dispositivos portátiles e implantables con características específicas como flexibilidad y elasticidad. En la actualidad, existe una demanda creciente de dispositivos electrónicos totalmente orgánicos para formar una gama de materiales blandos y activos. Por ejemplo, los sensores térmicos orgánicos son adecuados para la robótica y la atención sanitaria remota, aunque con limitaciones.

Por lo tanto, los investigadores han buscado desarrollar materiales orgánicos con una alta respuesta térmica y flexibilidad utilizando un andamiaje relativamente simple a través de estudios recientes sobre pectina; un componente de la pared celular vegetal hecho de un polisacárido estructural y funcionalmente complejo. Dado que los dispositivos desarrollados con pectina como elemento sensor son estructuralmente inestables, Kim y sus colegas introdujeron un nuevo polímero biomimético de detección térmica (BTS) flexible, bioinspirado en los motivos estructurales y funcionales de la pectina. Los investigadores utilizaron un método de polimerización radical vivo y versátil para diseñar estructuras con estabilidad mecánica y flexibilidad inherentes, adecuadas para materiales electrónicos orgánicos.

Los científicos crearon la arquitectura del polímero reduciendo la compleja estructura de pectina a una columna vertebral más simple con un complejo de caja de huevos y agregando estabilidad mecánica al polímero. El equipo verificó los componentes estructurales del copolímero de bloques mediante cromatografía de permeación en gel y mediciones de resonancia magnética nuclear. El equipo añadió iones de calcio divalentes a la solución de polímero BTS flexible para revelar una red de enlaces cruzados iónicos.

Supervisaron el proceso con espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier de reflectancia total atenuada para comprender el comportamiento de la formación de la película, donde los picos característicos indicaban las estructuras del polímero diseñado. Variaron la concentración de iones para investigar más a fondo la funcionalidad de la película.

A continuación, el equipo de investigación estudió el potencial del compuesto de polímero BTS flexible para el mapeo de temperatura y la fotodetección infrarroja de onda larga. Lo lograron creando primero una lámina flexible de detección de temperatura diseñada con sensores espaciados uniformemente. Observaron una respuesta de alta temperatura, junto con flexibilidad, para ofrecer oportunidades para una variedad de aplicaciones industriales, como baterías, artículos perecederos y termómetros portátiles que requieren superficies tridimensionales.

El equipo también desarrolló un sensor IR de onda larga no refrigerado para detectar radiación térmica en un amplio rango espectral. Para lograr esto, redujeron la pérdida térmica por conducción de calor y diseñaron los electrodos sobre una delgada membrana de poliimida. Los investigadores investigaron más a fondo la capacidad de respuesta espectral del sensor y detectaron objetos emisores de infrarrojos a temperatura ambiente.

De esta manera, Tae Hyun Kim y sus colegas presentaron un enfoque biomimético para diseñar un polímero térmicamente sensible para electrónica orgánica. Los motivos funcionales del material permitieron el desarrollo de un copolímero de bloques con una alta respuesta térmica externa y una baja resolución de detección. Estos sensores se pueden incorporar en instrumentos médicos y de atención sanitaria para controlar de forma no invasiva tensiones fisiopatológicas precisas, que incluyen la homeostasis, la infección y la inflamación.

Los resultados de este estudio conducirán a nuevas mejoras de los instrumentos técnicos y al desarrollo de dispositivos electrónicos totalmente orgánicos con funcionalidades mejoradas, más allá de sus homólogos inorgánicos.

Más información: Tae Hyun Kim et al, Compuesto de copolímero de bloque biomimético flexible para detección de temperatura y infrarrojos de onda larga, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0423. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0423

Sihong Wang et al, Electrónica de la piel a partir de la fabricación escalable de una matriz de transistores intrínsecamente estirable, Nature (2018). DOI: 10.1038/naturaleza2549

Información de la revista:Avances científicos, Naturaleza

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