Gli elementi elettronici sostenibili possono essere realizzati in legno. Ciò è possibile grazie a un processo innovativo che utilizza un laser per incidere tracce elettricamente conduttive nelle faccette. Un team di ricerca dell’Empa e dell’Istituto per i materiali da costruzione del Politecnico di Zurigo ha sviluppato un metodo per rendere la superficie del legno elettricamente conduttiva in modo semplice attraverso la grafitizzazione.
Anno dopo anno, si accumulano enormi quantità di rifiuti elettronici non biodegradabili. Non avrebbe senso produrre elementi elettronici almeno in parte da una materia prima naturale come il legno? Ma non è così facile: da un lato, il legno è naturalmente non conduttivo, dall’altro ha una struttura irregolare che rende difficile la produzione su larga scala.
Un gruppo di ricerca dell’Empa e dell’Istituto per i materiali da costruzione del Politecnico di Zurigo ha ora sviluppato un metodo per rendere la superficie del legno elettricamente conduttiva in modo semplice, grafitizzandola, e produrre così, ad esempio, pannelli tattili e sensori in legno. Il trucco: pretrattare il legno con un inchiostro contenente ferro. Per il progetto guidato da Ingo Burgert e Guido Panzarasa, i ricercatori si sono avvalsi di un finanziamento del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.
Il nuovo metodo si basa su una procedura già nota, la cosiddetta grafitizzazione indotta dal laser, per creare tracce conduttive sul legno: a questo scopo, un laser incide linee sottili in sottili tavole di legno, chiamate anche impiallacciature - nel processo, l’energia del raggio laser riscalda il legno in modo tale che il carbonio in esso contenuto si trasformi in grafite conduttiva. Tuttavia, i percorsi dei conduttori creati in questo modo sono irregolarmente larghi e profondi, e c’è anche un rischio di incendio dovuto al surriscaldamento. Spesso è necessaria anche una post-elaborazione multipla con il laser. "A seconda della specie e della crescita dell’albero, il legno ha una densità diversa e variabile", spiega Christopher Dreimol, primo autore dello studio. "Questo può portare a una grafitizzazione molto irregolare".
Il team di ricerca ha quindi avuto l’idea di utilizzare il ferro come catalizzatore: ciò consente un processo più delicato e porta a una superficie significativamente più omogenea. Nella ricerca di un materiale catalizzatore a base biologica, Dreimol si è imbattuto in una miscela di sale di ferro e di un agente conciante vegetale - il cosiddetto inchiostro di galla di ferro, già noto nel Medioevo. Dreimol ha spennellato l’inchiostro in uno strato sottile su varie impiallacciature di legno e poi le ha trattate con il laser.
Si è scoperto che lo strato di inchiostro aveva l’effetto desiderato. I nastri incisi in un solo passaggio presentavano una struttura e una conduttività più uniformi, indipendentemente dalle differenze strutturali e dal tipo di legno. "Grazie all’inchiostro, la trasformazione del legno in grafite avviene così rapidamente che il legno è meno danneggiato e non c’è rischio di incendio", spiega Dreimol. Inoltre, l’asportazione del legno è molto minore: le tracce sono profonde solo pochi micrometri e possono quindi essere incise anche nell’impiallacciatura più sottile.
Come prova pratica, il team ha utilizzato questo metodo per produrre elementi elettronici di prova da impiallacciature di abete rosso, ciliegio e faggio di spessore inferiore a mezzo millimetro. Ad esempio, i sensori di deformazione pieghevoli: secondo Dreimol, questi potrebbero - integrati in modo otticamente poco appariscente - monitorare i componenti in legno portanti nell’industria edilizia. I ricercatori sono anche riusciti a far brillare il legno sottile come un wafer con uno strato elettroluminescente. Nonostante le venature dell’impiallacciatura, si è ottenuta un’illuminazione omogenea. Questo approccio potrebbe essere utilizzato, ad esempio, come retroilluminazione per display o per pubblicità e pannelli di controllo. Per l’alimentazione sotto forma di batteria e il controllo, i ricercatori hanno utilizzato cavi e componenti elettronici convenzionali. Tuttavia, quest’ultimo potrebbe anche essere parzialmente sostituito dal legno conduttivo in futuro.
Il prossimo passo sarà quello di perfezionare e sviluppare ulteriormente il metodo per l’uso su larga scala: "Il fatto che ora possiamo lavorare aree relativamente grandi in un tempo accettabile è il primo passo verso l’industrializzazione degli elementi elettronici in legno", afferma Dreimol.
