Spintronica biobased: sensori di campo magnetico sostenibili - stampati

Ferro, cellulosa e cera d'api: un team internazionale guidato dai ricercatori dell'HZDR ha dimostrato che questi materiali ecologici sono sufficienti per produrre nuovi sensori di campo magnetico. Invece di utilizzare i metodi di produzione tradizionali, il team ha optato per inchiostri a base biologica e tecnologie di stampa industriale.

Oggi i sensori di campo magnetico sono uno dei prodotti di massa più invisibili dell'industria elettronica. Misurano movimenti, posizioni o distanze e si trovano nei contatti delle finestre, nei volanti, nei dischi rigidi, negli imballaggi e nei telefoni cellulari. Ogni anno vengono prodotti miliardi di questi componenti. "Molti di questi sensori contengono materiali come il nichel o il cobalto", spiega il dott. Denys Makarov, capo del Dipartimento Materiali e Sistemi Intelligenti presso l'Istituto di Fisica dei Fasci di Ioni e Ricerca sui Materiali dell'HZDR. "Si tratta di materiali che possono danneggiare l'ambiente e la salute se non vengono smaltiti correttamente". Allo stesso tempo, la loro produzione richiede spesso processi ad alta intensità energetica e fasi di produzione complesse.

Lo sviluppo di sensori sostenibili è una sfida tecnica. Sebbene il ferro sia facilmente disponibile e biocompatibile, da solo non raggiunge la sensibilità richiesta per molti degli attuali sensori di campo magnetico. Il team di ricerca ha quindi combinato il ferro con l'ossido di ferro e ha sviluppato speciali particelle core-shell in cui il nucleo di ferro è circondato da un sottile strato di ossido.

"L'umanità conosce il ferro e la cellulosa da secoli", afferma Lin Guo, che sta realizzando il progetto nella sua tesi di laurea. "La sfida è sviluppare un sensore che funzioni in modo utile con questi materiali sostenibili". Per farlo, osserva, sono fondamentali la composizione e la lavorazione precisa delle particelle. Secondo il team, i sensori stampati raggiungono livelli di sensibilità paragonabili alle attuali soluzioni commerciali in alcune aree.

I sensori sono prodotti mediante serigrafia, un processo più familiare nell'industria tessile. Invece di rimuovere un'ampia area di materiale, lo strato di sensori viene applicato in modo mirato. Stampiamo i sensori solo dove servono", spiega Makarov. In questo modo non si risparmia solo materiale, ma anche energia.

Quando i sensori possono scomparire

Anche la fine della vita utile dei sensori ha svolto un ruolo importante nello sviluppo. L'elettronica convenzionale viene solitamente utilizzata fino a quando non si rompe e deve essere smaltita. L'obiettivo del presente studio è quello di utilizzare materiali che possano essere degradati o riciclati in modo sicuro. Pertanto, le particelle core-shell di ossido di ferro sono state inserite in una matrice di materiali biocompatibili come la cellulosa e l'amido. Uno strato di polimeri biocompatibili o di materiali naturali come la cera d'api protegge i sensori dall'umidità e ne determina la durata. "Incapsulando i sensori stampati possiamo regolare la durata della loro stabilità", spiega Guo. La durata può essere personalizzata in base alle diverse applicazioni. Se la matrice biologica si dissolve in acqua, ciò che rimane sono principalmente particelle di ferro ossidato. "In pratica si tratta di ruggine", spiega Denys Makarov. Le sostanze potenzialmente tossiche, come alcuni composti di nichel e cobalto, sono intenzionalmente escluse dal processo.

La tecnologia necessaria per produrre sensori di campo magnetico stampati è già stata concessa in licenza. Ora il team sta lavorando su applicazioni specifiche, soprattutto in campi in cui i componenti elettronici sono necessari solo per un certo periodo di tempo, come nel caso di imballaggi intelligenti, prodotti medici monouso e sistemi di sensori agricoli. In questo caso, i sensori di campo magnetico sostenibili potrebbero, in futuro, aiutare a produrre elettronica in modo più sostenibile.

Parallelamente, il team sta già lavorando su altri concetti. I progetti futuri si concentreranno, tra l'altro, su incapsulamenti più durevoli, nuovi materiali biocompatibili e sull'integrazione dei sensori in sistemi elettronici flessibili.