Las camisas electrónicas que mantienen al usuario cómodamente abrigado o fresco, así como las telas médicas que administran medicamentos, controlan el estado de una herida y realizan otras tareas, pueden algún día fabricarse de manera más eficiente gracias a un avance clave de los investigadores de la Universidad Estatal de Oregon.
El avance involucra la impresión por inyección de tinta y materiales con una estructura cristalina descubiertos hace casi dos siglos. El resultado es la capacidad de aplicar circuitos, con precisión y a bajas temperaturas de procesamiento, directamente sobre la tela, una solución potencial prometedora para el compromiso de larga data entre rendimiento y costos de fabricación.
"Se han realizado muchos esfuerzos para integrar sensores, pantallas, fuentes de energía y circuitos lógicos en varios tejidos para la creación de textiles electrónicos portátiles", dijo Chih-Hung Chang, profesor de ingeniería química en el estado de Oregon. "Un obstáculo es que fabricar dispositivos rígidos en tela, que tiene una superficie porosa y no uniforme, es tedioso y costoso, requiere mucho calor y energía, y es difícil de escalar. Y primero colocar los dispositivos en algo sólido, y luego colocar ese sustrato sólido sobre la tela, también es problemático: limita la flexibilidad y la capacidad de uso de la tela y también puede requerir cambios engorrosos en el proceso de fabricación de la tela en sí".
Chang y sus colaboradores en la Facultad de Ingeniería de OSU y en la Universidad de Rutgers abordaron esos desafíos con una tinta estable e imprimible, basada en sales de yoduro de metal binario, que se transforma térmicamente en un compuesto denso de cesio, estaño y yodo.
La película resultante de Cs2SnI6 tiene una estructura cristalina que la convierte en una perovskita.
Las perovskitas tienen sus raíces en un descubrimiento de un mineralogista alemán hace mucho tiempo. En los Montes Urales en 1839, Gustav Rose encontró un óxido de calcio y titanio con una estructura cristalina intrigante y lo nombró en honor al noble ruso Lev Perovski.
La perovskita ahora se refiere a una gama de materiales que comparten la red cristalina del original. El interés en ellos comenzó a acelerarse en 2009 después de que un científico japonés, Tsutomu Miyasaka, descubriera que algunas perovskitas son absorbentes efectivos de la luz. Los materiales con estructura de perovskita que se basan en un metal y un halógeno como el yodo son semiconductores, componentes esenciales de la mayoría de los circuitos eléctricos.
Gracias a la película de perovskita, el equipo de Chang pudo imprimir termistores de coeficiente de temperatura negativo directamente sobre tejido de poliéster a temperaturas tan bajas como 120 grados Celsius, solo 20 grados más que el punto de ebullición del agua.
Un termistor es un tipo de componente eléctrico conocido como resistencia, que controla la cantidad de corriente que ingresa a un circuito. Los termistores son resistencias cuya resistencia depende de la temperatura, y esta investigación involucró termistores de coeficiente de temperatura negativo, o NTC, su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura.
"Un cambio en la resistencia debido al calor generalmente no es algo bueno en una resistencia estándar, pero el efecto puede ser útil en muchos circuitos de detección de temperatura", dijo Chang. "Los termistores NTC se pueden usar en prácticamente cualquier tipo de equipo donde la temperatura juega un papel importante. Incluso los cambios pequeños de temperatura pueden causar grandes cambios en su resistencia, lo que los hace ideales para medir y controlar la temperatura con precisión".
La investigación, que incluyó a Shujie Li y Alex Kosek de la Facultad de Ingeniería de OSU y Mohammad Naim Jahangir y Rajiv Malhotra de la Universidad de Rutgers, demuestra la fabricación directa de termistores NTC de alto rendimiento en telas a la mitad de la temperatura utilizada la tecnología actual, dijo Chang.
"Además de requerir más energía, las temperaturas más altas crean problemas de compatibilidad con muchos tejidos", dijo. "La simplicidad de nuestra tinta, la escalabilidad del proceso y el rendimiento del termistor son prometedores para el futuro de los textiles electrónicos portátiles".
Los hallazgos se publicaron en Advanced Functional Materials.
Más información: Shujie Li et al. Inkjet Printing of Perovskites for Breaking Performance–Temperature Tradeoffs in Fabric‐Based Thermistors. Advanced functional materials (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.202006273
Nota original: Oregon State university