Materiali del futuro: Grafene e lignina

L’uso del legno nelle costruzioni è riemerso a causa delle crescenti preoccupazioni sull’impatto ambientale del calcestruzzo. Tuttavia, il legno assorbe l’umidità dall’ambiente circostante, causando marciume, muffe e altri tipi di danni. Nella sola Svezia, il costo per riparare i danni causati dall’acqua negli edifici supera i 500.000.000 di euro all’anno. Per risolvere questo problema, i ricercatori del Graphene Flagship Associated Member Research Institutes of Sweden (RISE) hanno sviluppato un sensore di grafene incorporato nel legno in grado di rilevare sia l’umidità ambientale che l’umidità all’interno del legno.

RISE coordina il Digital Cellulose Center (DCC), che mira a rendere i materiali e i prodotti di origine forestale parte del mondo digitale, attraverso l’elettronica sostenibile e l’economia circolare. "Il sensore di umidità e umidità al grafene ha davvero dimostrato un modo sostenibile per l'elettronica e ha suscitato un grande interesse sia da parte dei partner accademici che industriali del DCC", afferma Ursula Hass, direttrice del DCC Center, che ha sede a RISE.

In questo metodo "lignografia", il team ha modellato i sensori utilizzando un inchiostro stampabile composto da lignina - un polimero organico complesso presente nelle pareti cellulari di molte piante e un sottoprodotto dell'industria della carta e della pasta di legno - e cellulosa, che sono stati convertiti in grafite o grafene dopo irradiazione con un raggio laser.

Dopo il processo di grafitizzazione, questi sensori sono stati in grado di misurare livelli di umidità compresi tra il 10% e il 90% a 25°C in diversi tipi di legno. I sensori fabbricati su legno di abete rosso e pino hanno mostrato un'elevata sensibilità, con valori rispettivamente di 2,6 e 0,74 MΩ per ogni aumento dell'1% dell'umidità. Infine, i ricercatori hanno dimostrato che i cambiamenti di umidità rilevati da questi sensori possono essere letti a distanza attraverso un computer collegato o visualizzati con un semplice sistema a LED.

Sensore di umidità realizzato in legno di abete rosso disponibile in commercio. a) Il legno è stato prima rivestito con un inchiostro a base d'acqua contenente polimeri di lignina e cellulosa a forma di abete rosso. Successivamente è stato utilizzato un laser a CO2 per produrre due elettrodi di carbonio dal rivestimento di inchiostro, lasciando una parte di inchiostro intatta tra gli elettrodi per funzionare come strato di adsorbimento per il rilevamento dell’umidità. b) Due sensori fabbricati su una superficie di legno, uno sigillato dal lato anteriore, mentre l'altro è stato mantenuto aperto all'ambiente. (Credito: AUMENTO)

I ricercatori RISE hanno anche dimostrato componenti elettronici grafitizzati con lignina, come resistori e raccoglitori di energia triboelettrica, che coinvolgono processi simili di "lignografia".

"La ricerca del nostro gruppo apre la strada allo sviluppo di sensori basati sul biografene, raccoglitori di energia, dispositivi e circuiti elettronici basati su materiali sostenibili e riciclabili, come legno e carta. Utilizzando questi materiali che possono essere smaltiti nella carta contenitori elettronici, speriamo di eliminare la necessità dei contenitori elettronici", spiega Mohammad Yusuf Mulla di RISE.

Oltre ai sensori di umidità sul legno, i ricercatori RISE in collaborazione con Lignin Industries AB e Bloom Renewables SA stanno anche lavorando su nuovi tipi di materiali a base di lignina in grado di rilevare pressione e input meccanici. Ad esempio, questi "materiali intelligenti" possono essere utilizzati per azionare interruttori di accensione/spegnimento e controlli del volume piegando o toccando invece di premere i pulsanti.

Il team prepara i materiali intelligenti a base di lignina modificando chimicamente la lignina in formulazioni termoindurenti o termoplastiche. A questi compositi vengono aggiunti additivi funzionali come BaTiO3 e ossido di grafene ridotto. Quando una forza esterna viene applicata a un cristallo BaTiO3, la struttura cristallina viene distorta, causando la separazione delle sue cariche positive e negative e la conseguente generazione di un campo elettrico. Allo stesso tempo, il grafene – un eccellente conduttore di elettricità – aumenta la conduttività dei compositi a base di lignina consentendo il trasferimento efficiente delle cariche elettriche. Rispetto ai materiali piezoelettrici commerciali a base di piombo, i materiali a base di lignina sono additivi più sicuri e sostenibili per i sensori tattili e di pressione.