Camadas intermédias finas reforçam os materiais multicamadas: satélites frios e eletrónica flexível
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Super-leve, super-flexível, super-isolante: uma película de polímero revestida de alumínio é utilizada para proteger os satélites de temperaturas extremas. Os investigadores da Empa Thun estão a tornar o material ainda mais resistente, utilizando uma camada intermédia muito fina. A eletrónica flexível e os sensores médicos também poderiam ser melhorados desta forma.
Quem não reconhece a imagem arquetípica de um satélite? Duas "asas" solares estendidas e um corpo compacto envolto numa folha dourada ou prateada cintilante. Os investigadores do laboratório "Mecânica dos materiais e Nanoestruturas" da Empa, em Thun, estão a trabalhar precisamente nesta folha.
A sua utilização generalizada já o denuncia: a película é extremamente importante para satélites e sondas espaciais. Trata-se do chamado "isolamento multicamada" ou superisolamento. É constituída por várias camadas de um polímero robusto com um revestimento metálico fino - geralmente alumínio. Na Terra, a película revestida é encontrada, por exemplo, sob a forma de cobertores de salvamento.
A bordo da nave espacial, o super isolamento protege a eletrónica das flutuações de temperatura. "Para os satélites em órbita baixa da Terra, a diferença de temperatura entre o lado que está virado para o sol e o lado que está virado para o sol é de cerca de 150 graus", diz Barbara Putz, investigadora da Empa. "No entanto, a eletrónica funciona melhor a uma temperatura ambiente de 25 graus Celsius". Uma vez que está diretamente exposto às condições do espaço, o super isolamento tem de ser capaz de resistir a muita coisa.
A poliimida extremamente resistente é normalmente utilizada como base de polímero para a estrutura de película fina. Para além da sua resistência à temperatura e ao vácuo, este plástico também se caracteriza pelo facto de a camada de alumínio aderir particularmente bem a ele. "A razão para isto é uma camada intermédia com apenas alguns nanómetros de espessura que se forma entre o polímero e o alumínio durante o revestimento", explica Putz. O investigador quer agora investigar esta camada intermédia em mais pormenor - e utilizá-la de forma orientada. A camada deverá não só permitir um melhor superisolamento para futuros satélites, mas também acelerar o desenvolvimento da eletrónica flexível na Terra. Ela recebeu a Bolsa Ambizione da Fundação Nacional de Ciências da Suíça (SNSF) para este projeto de pesquisa em 2020.
Cinco nanómetros fazem toda a diferença
Para compreender com precisão a camada intermédia e os seus efeitos nas propriedades do material, Barbara Putz e a sua aluna de doutoramento Johanna Byloff optaram por um sistema modelo simples: uma película de poliimida de 50 micrómetros de espessura revestida com 150 nanómetros de alumínio. Entre o metal e o plástico, os investigadores aplicaram uma camada de óxido de alumínio com apenas cinco nanómetros. Trabalhar com uma camada intermédia tão fina é um desafio. Para garantir um processamento limpo, os investigadores utilizam uma máquina de revestimento da empresa spin-off Swiss Cluster AG da Empa, fundada em 2020 por investigadores do laboratório "Mecânica dos Materiais e Nanoestruturas". O dispositivo permite aplicar vários processos de revestimento sucessivos à mesma peça de trabalho sem a retirar da câmara de vácuo.
"A nossa combinação de materiais é a mesma que a utilizada em aplicações espaciais, como a sonda europeia BepiColombo ou o escudo solar do Telescópio Espacial James Webb da NASA", diz Byloff. "Só que aí, a camada intermédia de óxido forma-se naturalmente, enquanto nós a produzimos especificamente, o que nos permite ajustar as propriedades." O escudo solar do telescópio espacial, que mede 21 por 14 metros, também ilustra as exigências impostas ao material no espaço. Para além das grandes diferenças de temperatura, as camadas isolantes estão também expostas a tensões mecânicas. "Por um lado, o escudo solar foi arrumado aquando do lançamento do telescópio e teve de ser desdobrado no local de instalação sem que as camadas se rasgassem ou separassem umas das outras", explica Byloff. "Em segundo lugar, as partículas e os detritos espaciais podem danificar a película. É importante que os danos permaneçam localizados e não se espalhem como longas fissuras por toda a superfície."
Dos satélites aos sensores médicos
Os investigadores testaram o seu modelo de película, submeteram-no a testes de alongamento e a choques de temperatura e caracterizaram-no química e fisicamente. O resultado: a camada intermédia torna o material mais elástico e significativamente mais resistente a rasgões e forças de cisalhamento. A seguir, os investigadores pretendem variar a espessura da camada e aplicá-la a outros substratos poliméricos. "A camada intermédia natural só se forma em poliimida e apenas com uma espessura de cinco nanómetros, o que limita a sua utilidade", diz Barbara Putz. "Esperamos que a nossa camada intermédia artificial permita sistemas multicamadas noutros polímeros que anteriormente estavam fora de questão devido à fraca adesão do revestimento."
O isolamento de satélites não é a única área em que os sistemas flexíveis multicamadas são procurados. Putz e Byloff também vêem uma grande área de aplicação para a sua investigação no campo da eletrónica flexível, que também se baseia em substratos de polímeros revestidos de metal. Os componentes de película fina para dispositivos electrónicos têm normalmente várias camadas de materiais diferentes. Mas também neste caso, as propriedades mecânicas podem ser melhoradas através da utilização orientada de camadas intermédias finas. Isto poderia permitir dispositivos dobráveis ou enroláveis, têxteis inteligentes e sensores médicos flexíveis, por exemplo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Johanna Byloff, Vivek Devulapalli, Daniele Casari, Thomas E. J. Edwards, Claus O. W. Trost, Megan J. Cordill, Shuhel Altaf Husain, Pierre‐Olivier Renault, Damien Faurie, Barbara Putz; "From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers"; Advanced Functional Materials, 2025-11-27
Johanna Byloff, Claus Othmar Wolfgang Trost, Vivek Devulapalli, Shuhel Altaf Husain, Damien Faurie, Pierre-Olivier Renault, Thomas Edward James Edwards, Megan J. Cordill, Daniele Casari, Barbara Putz; "Atomic Layer-Deposited Interlayers for Robust Metal–Polymer Interfaces"; ACS Applied Materials & Interfaces, Volume 17, 2025-7-8
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