Tecnologia green: elettrodi su carta per energia pulita e dispositivi biomedicali
Sintesi della pubblicazione
La ricerca propone un metodo innovativo, green e scalabile per realizzare elettrodi ad alte prestazioni su carta comune. Attraverso un trattamento superficiale con derivati della cellulosa, si ottengono superfici più lisce e omogenee, ideali per depositare materiali conduttivi come PEDOT:PSS. Il risultato è la produzione di dispositivi flessibili, a basso impatto ambientale, meccanicamente resistenti e adatti ad applicazioni in dispositivi indossabili, sensori, etichette intelligenti e sistemi di accumulo di energia.
Negli ultimi anni, l’attenzione verso dispositivi elettronici sostenibili ha spinto la ricerca verso materiali alternativi alla plastica. Uno dei principali problemi è che, sebbene la plastica sia flessibile e adatta alla stampa di circuiti, il suo smaltimento causa gravi danni ambientali. La carta rappresenta una soluzione più ecologica: è biodegradabile, economica e abbondante. Tuttavia, la carta ha dei limiti, come la superficie irregolare e la forte capacità di assorbire umidità, che compromettono la funzionalità dei circuiti elettronici. Il lavoro di ricerca che analizziamo ha sviluppato una tecnica per modificare la superficie della carta con rivestimenti a base di cellulosa, rendendola liscia e resistente. Questo trattamento permette di depositare materiali conduttivi in modo uniforme, trasformando un semplice foglio di carta in un supporto elettronico flessibile. La soluzione proposta è economica, scalabile e utilizza materiali non tossici, superando molti limiti delle tecniche industriali attuali.
Una delle principali applicazioni riguarda la creazione di sensori indossabili. Si possono realizzare, per esempio, cerotti intelligenti in carta che monitorano parametri come la temperatura corporea o l’idratazione della pelle. Rispetto ai dispositivi tradizionali in plastica o metallo, i sensori su carta sono più leggeri, meno invasivi e più facili da smaltire dopo l’uso. Possono essere integrati nei vestiti sportivi per misurare lo sforzo fisico durante l’attività, oppure nei dispositivi medici usa e getta per il monitoraggio a breve termine dei pazienti. La stabilità dei nuovi elettrodi permette a questi sensori di funzionare anche sotto sforzo meccanico, come piegature e torsioni continue, mantenendo le loro proprietà elettriche. Questo apre la strada a nuove generazioni di dispositivi medici portatili ed economici.
Un altro campo di applicazione è l’energia rinnovabile distribuita. Grazie alla carta trattata, è possibile costruire celle solari leggere e flessibili che si integrano in materiali di uso quotidiano. Immaginiamo finestre che incorporano sottili celle fotovoltaiche in carta, capaci di produrre energia senza alterare l'estetica degli edifici. Oppure etichette solari applicabili a zaini, tende da campeggio o accessori outdoor, capaci di ricaricare piccoli dispositivi elettronici. La facilità di produzione su larga scala e i bassi costi rendono questa tecnologia particolarmente adatta a diffondere il fotovoltaico in contesti dove i tradizionali pannelli rigidi non sono praticabili. Inoltre, trattandosi di materiali a basso impatto ambientale, si evitano i problemi di smaltimento che ancora oggi penalizzano molte tecnologie solari.
Il miglioramento delle proprietà meccaniche degli elettrodi consente inoltre applicazioni nel campo dei dispositivi elettronici pieghevoli. Ad esempio, si possono realizzare circuiti per imballaggi intelligenti che cambiano stato a seconda delle condizioni ambientali, come temperatura o umidità, segnalando il deterioramento di alimenti o farmaci. Oppure si possono produrre etichette RFID leggere e biodegradabili da applicare su prodotti commerciali per migliorare la logistica e il tracciamento, riducendo l’uso di materiali plastici. Grazie alla maggiore resistenza a piegature e sollecitazioni, questi dispositivi in carta trattata offrono prestazioni paragonabili a quelle di substrati plastici, ma con vantaggi in termini di costo, sostenibilità e facilità di integrazione nei cicli di riciclo industriale.
Un ulteriore problema risolto riguarda la durata dei dispositivi elettronici realizzati su carta. Normalmente, la carta assorbe umidità dall’ambiente, degradando rapidamente le proprietà elettriche degli elettrodi. Il trattamento con rivestimenti a base di idrossipropilcellulosa ha migliorato notevolmente la barriera contro il vapore acqueo, aumentando la vita utile dei dispositivi. Per esempio, un sensore ambientale basato su carta trattata può funzionare stabilmente per mesi anche in ambienti umidi, come serre agricole o cucine industriali. Questo risultato amplia il ventaglio delle applicazioni possibili, rendendo competitivi i dispositivi in carta anche in settori dove finora era necessario ricorrere a materiali più costosi e meno sostenibili come il PET o il policarbonato.
In prospettiva economica, questa tecnologia può abilitare nuovi modelli di produzione decentralizzata. Con macchinari semplici come stampanti a rullo e materiali facilmente reperibili, si potranno produrre localmente sensori, celle solari o circuiti intelligenti su carta a basso costo. Piccole imprese agricole potrebbero stampare da sole sensori per il monitoraggio dei terreni. Aziende di logistica potrebbero integrare etichette intelligenti biodegradabili nei propri imballaggi. Scuole e laboratori didattici potrebbero insegnare elettronica sostenibile realizzando circuiti su carta trattata. In generale, il superamento dei limiti fisici della carta apre possibilità concrete per democratizzare la produzione di elettronica funzionale, a basso costo e a basso impatto ambientale.
Scheda tecnica
Titolo:
Engineered surface for high performance electrodes on paper
Autori:
Elena Palmieri, Luca Montaina, Giuseppina Polino, Matteo Bonomo, Gioele Giordanengo, Claudia Barolo, Gaio Paradossi, Francesca Brunetti, Emanuela Tamburri, Silvia Orlanducci
Affiliazioni:
Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Roma "Tor Vergata"
CHOSE - Centre for Hybrid and Organic Solar Energy, Università di Roma "Tor Vergata"
Dipartimento di Chimica, Centro NIS e INSTM, Università degli Studi di Torino
Parole chiave:
elettronica su carta, materiali sostenibili, elettrodi flessibili, dispositivi wearable, rivestimenti polimerici green.
Fonte di finanziamento:
Progetto europeo H2020 WASP.
Riferimento bibliografico completo:
E. Palmieri, L. Montaina, G. Polino, M. Bonomo, G. Giordanengo, C. Barolo, G. Paradossi, F. Brunetti, E. Tamburri, S. Orlanducci, Engineered surface for high performance electrodes on paper, Università di Roma "Tor Vergata" e Università degli Studi di Torino, 2025.