Era uma ideia simples - talvez até simples demais para funcionar.

O cientista de pesquisa James Ponder e uma equipe de químicos e engenheiros da Georgia Tech pensaram que poderiam projetar um filme de polímero transparente que conduziria eletricidade de forma tão eficaz quanto outros materiais comumente usados, além de ser flexível e fácil de usar em escala industrial.

Eles fariam isso simplesmente removendo o material não condutor de seu elemento condutor. Parece lógico, certo?

O processo resultante pode produzir novos tipos de dispositivos eletrônicos flexíveis e transparentes – coisas como biossensores vestíveis, células fotovoltaicas orgânicas e visores e óculos de realidade virtual ou aumentada.

"Tivemos a ideia inicial de que temos um elemento condutivo que estamos cobrindo com um material não condutivo, e daí se simplesmente nos livrarmos dele", disse Ponder, que obteve um Ph.D. em química na Georgia Tech e voltou como cientista pesquisador em engenharia mecânica. "É uma ideia simples e havia tantos pontos em que poderia ter falhado por diferentes razões. Mas funciona e funciona melhor do que esperávamos."

Para fazer um filme plástico que pode carregar uma carga elétrica , os químicos começam com uma estrutura de polímero conhecida – neste caso, um polímero popular chamado PEDOT que é usado na indústria em certas formulações. É ótimo para conduzir eletricidade, mas difícil de usar em sua forma pura porque é insolúvel. No entanto, quando as cadeias laterais são adicionadas ao PEDOT, elas podem ser dissolvidas e usadas como tinta para impressão ou tinta spray. Isso facilita o uso e a aplicação. Infelizmente, essas cadeias laterais são essencialmente materiais cerosos e a cera não é tão boa em condutividade elétrica.

"Se você pensa em condutividade elétrica, imagine um fio de cobre: ??é bom e condutor. Então você o cobre com cera e não é tão condutor; você tem uma barreira", disse Ponder. "A ideia era, nós realmente queremos os dois: queremos as cadeias laterais para processamento, mas não as queremos em nosso material final. Então, adicionamos cadeias laterais que, uma vez terminado o processamento, podemos derrubar fora e lave."

Em outras palavras, Ponder e seus colaboradores criam o polímero com cadeias laterais, imprimem ou borrifam para aplicar, clivam quimicamente as cadeias laterais e as lavam com solventes industriais comuns. Depois de uma etapa de conversão final, o resultado é um filme flexível e altamente condutor que é estável e agora impermeável à água ou a outros solventes.

A equipe de pesquisa abrangeu engenharia mecânica, química e bioquímica e ciência e engenharia de materiais. Eles publicaram seu trabalho em um par de estudos este ano em duas revistas de química, primeiro descrevendo a ideia e provando que poderia funcionar no Journal of the American Chemical Society e, nas últimas semanas, otimizando o projeto para máxima condutividade em um estudo. em Angewandte Chemie .

"A ideia de que criamos uma maneira de fazer um polímero com uma condutividade de mais de 1.000 siemens por centímetro, que pode ser processado usando métodos de impressão industrial simples e solventes que os industriais gostam, e que, além da condutividade, ter essa transparência óptica é tão expansivo para mim", disse John Reynolds, professor da Escola de Química e Bioquímica e um dos coautores dos dois artigos. "Eu fico muito animado com isso."

Reynolds era o Ph.D. de Ponder. orientador. Quando Ponder voltou para a Georgia Tech após uma bolsa de pós-doutorado, ele se juntou ao laboratório do professor associado Shannon Yee na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff. Por causa dessas conexões, Ponder se tornou a ponte que consolidou a colaboração. A equipe desenvolveu as moléculas por meio da química. Eles mediram sua eficácia com a engenharia.

"James basicamente colocou os pés em ambos os campos e serviu como canal entre os grupos", disse Reynolds, que também é nomeado conjuntamente na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais. "Essa abordagem multidisciplinar de pesquisa é a razão pela qual me mudei para a Georgia Tech há 11 anos. Fiquei empolgado com a capacidade de cruzar facilmente entre a Faculdade de Ciências e a Faculdade de Engenharia. Ter colaborações como essa com Shannon é realmente importante , e é isso que faz a Georgia Tech funcionar."

A equipe já está chamando a atenção por seu material, que eles chamam de PEDOT(OH). Eles têm um pedido de patente em andamento e estão se reunindo com colaboradores da indústria interessados ??em licenciar a tecnologia devido a algumas vantagens importantes dos filmes.

Um dos condutores transparentes mais amplamente utilizados para monitores de tela plana, fotovoltaicos, janelas inteligentes e outras aplicações é o óxido de índio e estanho. No entanto, o material tem algumas desvantagens, disse Reynolds.

“É muito difícil fazer dispositivos curvos e flexíveis usando óxido de índio e estanho porque é um material quebradiço que racha”, disse ele. "Esses polímeros que projetamos são mecanicamente flexíveis. Há toda uma área chamada bioeletrônica, onde as pessoas estão colocando dispositivos eletrônicos na pele e em dispositivos implantáveis, onde a flexibilidade mecânica é muito importante. É aí que esses tipos de materiais vão brilhar."

Outra vantagem? O óxido de índio e estanho deve ser usado em filmes finos para equilibrar como é preparado com máxima condutividade e transparência. O material da equipe da Georgia Tech, por outro lado, pode ser facilmente processado em filmes espessos que mantêm sua condutividade.

"Um benefício real aqui é que você tem muito controle sobre como processa o material", disse Ponder, que agora trabalha para o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA. "Industrialmente, o maior benefício disso em minha opinião é que, se você quiser um filme de 20 nanômetros, pode fazer isso. Ou se quiser um filme de um mícron - que é 500 vezes mais espesso - também pode fazer isso. Você realmente tem muito mais controle."

Ponder disse que outros pesquisadores experimentaram quebrar as cadeias laterais de polímeros para aumentar a condutividade, mas seu trabalho geralmente removeu apenas algumas das cadeias. Além disso, esse processo não era o principal objetivo de sua pesquisa.

"É combinar o tipo certo de estrutura de polímero com o tipo certo de ligação quebrável para a aplicação certa" - alta condutividade elétrica , neste caso, disse Ponder. “Na maioria das vezes, outros pesquisadores não têm feito isso; eles não cortaram cadeias suficientes e usaram um backbone bem projetado”.

Reynolds disse que a simplicidade do polímero da equipe foi fundamental: "Ser capaz de fazer um backbone muito simples e direto para esse polímero é o que realmente levou ao alto nível de condutividade".