Dispositivos eletroquímicos flexíveis empregando papel pirolisado

Abstract

Materiais de carbono obtidos por pirólise de celulose e biopolímeros sintéticos têm sido am-plamente investigados para aplicações no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos. Eles apresentam excelentes propriedades elétricas, mas são extremamente frágeis. Então uma alter-nativa seria integrar esses materiais em elastômeros. Assim, para a contornar a fragilidade e a questão de adesão de materiais condutores em substratos alongáveis, neste trabalho é proposto um novo método de fabricação para desenvolvimento de dispositivos eletroquímicos. Inspira-do no sistema redox eficiente das plantas e que está firmemente aderido ao solo pela estrutura das raízes, foi desenvolvido um processo de retardo do fluxo capilar do polidimetilsiloxano (PDMS) na estrutura pirolisada modificada, de forma que fibras pirolisadas integradas no elas-tômero possam garantir adesão e estabilidade mecânica, e que parte delas fique exposta para possibilitar atividade eletroquímica na interface. Baseado no modelo matemático de Lucas-Washburn, as mudanças na superfície das fibras de papel por conta da adição de acetato de celulose e a diminuição do raio dos poros resulta no retardo do fluxo da solução polimérica viscosa na estrutura porosa. Como resultado foi obtida uma superfície de eletrodo de carbono altamente ativa para reações redox. Além disso, testes mecânicos com o dispositivo flexiona-do, dobrado, e alongado, demonstraram que uma deformação linear de até 75% do tamanho inicial não tem efeitos nas propriedades eletroquímicas após o teste. O eletrodo foi ainda fun-cionalizado com polidopamina e azul de Meldola (PDA/AM) para avaliar as atividades eletro-catalíticas e alterar a molhabilidade de superfície. Como resultado o nanofilme permitiu espa-lhamento homogêneo de soluções aquosas na interface do eletrodo, por conta da diminuição do ângulo de contato, e o desenvolvimento de um sistema de auto coleta de amostras líquidas. Além disso, foi possível utilizá-lo como sensor para detecção de NADH através do ancora-mento do mediador redox AM. Testes mecânicos após a funcionalização indicaram que esse sistema do nanofilme cooperativo não altera as propriedades de molhabilidade e atividade eletrocatalítica, de forma que o dispositivo mostrou a mesma performance eletroquímica antes e após ensaios de alongamento.

Cellulose and synthetic biopolymers derived carbon materials are extensively used for application in electronic field. They show excellent electrical properties but are extremely fragile and prone to crack. Then an alternative to address this challenge and the adhesion problem reported on literature, a new fabrication route for a flexible and stretchable electrochemical device is proposed. Inspired by trees redox system that is highly adhered on the ground and based on Lucas Wash-Burn model, the pyrolyzed paper is modified with cellulose acetate. Then, in a process named delayed capillary flow of elastomers the surface changes in paper fibers and the decrease in pore radius results in a delay on capillary flow of viscous polymer polydimethylsiloxane (PDMS) solution on its porous structure. As a result, a highly active carbon surface exposed on the top for redox reactions is produced, which shows a remarkable performance and is similar to tree leaves. Also, mechanical deformation studies on the new bendable, twistable, flexible, and stretchable device reveal a linear stretch up to 75%, without effects on its electrochemical properties. These mechanical properties are similar to tree roots highly adhered on the ground. The electrode working area was nanofunctionalized with polydopamine (PDA) that is used for anchoring redox mediators and improvement of wettability with unprecedent homogeneous spreading of liquids and development of self-collection liquid samples. This system is also efficient for NADH detection with Meldola’s blue (MB) redox mediator. In addition, the stretchability property of PDA/MB bionanofilm is exploited and mechanical studies show high electrochemical performance before and after stretch.