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Pesquisadores da Tokyo University of Science, no Japão, desenvolveram um método barato para fabricar nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs) em um filme plástico. O método proposto é simples, pode ser aplicado em condições ambientais, reutiliza MWNTs e produz fios flexíveis de resistências sintonizáveis sem a necessidade de etapas adicionais. Ele elimina várias desvantagens dos métodos de fabricação atuais, tornando-o útil para a fabricação em larga escala de fiação de carbono para dispositivos flexíveis totalmente em carbono.
Os nanotubos de carbono (CNTs) são estruturas semelhantes a tubos cilíndricos feitos de átomos de carbono que exibem propriedades físicas altamente desejáveis, como alta resistência, baixo peso e excelentes condutividades térmica e elétrica. Isso os torna materiais ideais para várias aplicações, incluindo materiais de reforço, armazenamento de energia e dispositivos de conversão e eletrônicos. Apesar desse imenso potencial, no entanto, houve desafios na comercialização de CNTs, como sua incorporação em substratos plásticos para a fabricação de dispositivos flexíveis baseados em CNTs. Os métodos de fabricação tradicionais requerem ambientes cuidadosamente controlados, como altas temperaturas e uma sala limpa. Além disso, eles exigem transferências repetidas para produzir CNTs com diferentes valores de resistência.
Métodos mais diretos, como transferência direta induzida por laser (LIFT) e fusão térmica (TF), foram desenvolvidos como alternativas. No método LIFT, um laser é usado para transferir diretamente CNTs para substratos, enquanto no TF, CNTs são misturados com polímeros que são removidos seletivamente por um laser para formar fios CNT com valores de resistência variáveis. No entanto, ambos os métodos são caros e têm seus problemas exclusivos. LIFT requer lasers pulsados caros e preparação de CNTs com valores de resistência específicos, enquanto TF usa grandes quantidades de CNTs que não são utilizados e vão para o lixo.
Com o objetivo de desenvolver uma abordagem mais simples e barata, o Professor Associado Dr. Takashi Ikuno juntamente com seus colaboradores, Sr. Hiroaki Komatsu, Sr. Yosuke Sugita e Sr. Takahiro Matsunami da Tokyo University of Science, Japão, propuseram recentemente um novo método que permite fabricação de fiação CNT (MWNT) de paredes múltiplas sobre um filme plástico em condições ambientais (temperatura ambiente e pressão atmosférica) usando um laser de baixo custo.
A descoberta, publicada na revista Scientific Reports em 08 de fevereiro de 2023, envolve revestir um filme de polipropileno (PP) com um filme MWNT de cerca de 10 μm de espessura e, em seguida, expô-lo a um laser UV mW. O resultado é uma fiação condutora feita de uma combinação de MWNT e PP.
“Esse processo permite o fácil ‘desenho’ de fiação e dispositivos flexíveis para sensores vestíveis sem a necessidade de processos complexos”, destaca o Dr. Ikuno.
Os pesquisadores atribuíram a formação desses fios à diferença nas condutividades térmicas entre o MWNT e o filme de PP. Como o filme MWNT/PP é exposto ao laser, a alta condutividade térmica da camada MWNT faz com que o calor se espalhe ao longo do fio, resultando em altas temperaturas na interface MWNT-PP e temperaturas mais baixas em outras partes do filme PP . Diretamente abaixo do laser, onde as temperaturas são as mais altas, o PP se difunde no filme MWNT para formar um composto PP/MWNT espesso, enquanto uma camada fina de PP/MWNT é formada nas bordas do laser onde as temperaturas são relativamente baixas.
O método proposto também permite a fabricação de fios de carbono com diferentes valores de resistência dentro do mesmo processo (sem transferência repetida) simplesmente alterando as condições de irradiação, eliminando assim a necessidade de etapas adicionais. A exposição do filme PP/MWNT a altas energias de laser, obtidas por baixas velocidades de varredura, um alto número de exposições a laser ou o uso de um laser de alta potência, produz fios mais grossos com maior concentração de MWNTs. Consequentemente, a menor resistividade do MWNT e o fio mais grosso diminuem a resistência por unidade de comprimento do fio (a resistência é diretamente proporcional à relação entre a resistividade e a espessura do fio).
Ao controlar com precisão a exposição do filme MWNT/PP à luz do laser, os pesquisadores fabricaram com sucesso fios MWNT com uma ampla gama de valores de resistência, de 0,789 kΩ/cm a 114 kΩ/cm. Além disso, esses fios eram altamente flexíveis e mantinham sua resistência mesmo quando dobrados repetidamente.
Além disso, o método resolveu um dos problemas prementes com as técnicas atuais, ou seja, a incapacidade das técnicas LIFT e TF de reutilizar CNTs não utilizados no processo de fabricação. No método proposto, os MWNTs não incorporados ao filme de PP durante a irradiação do laser podem ser recuperados e reutilizados, permitindo a criação de novos fios MWNT com pouca ou nenhuma alteração nos valores de resistência.
Com sua simplicidade, utilização eficiente de CNTs e a capacidade de criar fios de alta qualidade, o novo método tem potencial para realizar a fabricação em larga escala de fiação de carbono flexível para sensores flexíveis e dispositivos de conversão e armazenamento de energia.
“Esperamos que o custo do processo seja significativamente reduzido em comparação com os métodos convencionais. Isso, por sua vez, contribuirá para a realização de sensores flexíveis de baixo custo que deverão ter amplas aplicações em grandes quantidades”, conclui o Dr. Ikuno.
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