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Ingeniería de materiales

Delgadas y flexibles

Investigadores brasileños crean pantallas multimedios con papel transparente y plegable

IMETROPrototipo de pantalla flexible transparente recibe una carga eléctrica en el laboratorio del InmetroIMETRO

A la hora de hacer un viaje, en el futuro, probablemente no será más necesario poner la notebook en un maletín o en una mochila: bastará con doblarla y metérsela en el bolsillo. Tal avance tecnológico se convertirá en realidad cuando las pantallas flexibles de diodos orgánicos emisores de luz, los llamados Foleds (de la sigla flexible organic light emitting device), salgan al mercado, dentro de poco tiemp. Varios fabricantes de aparatos electrónicos como Sony, Philips y Fujitsu, y grupos de investigación del mundo entero avanzan en busca de ese objetivo. Entre ellos se encuentra un equipo de investigadores brasileños del Instituto de Química de la Universidad Estadual Paulista (IQ-Unesp), del campus de Araraquara, interior de São Paulo, y del Instituto Nacional de Metrología, Normalización y Calidad Industrial (Inmetro), de Río de Janeiro. Recientemente desarrollaron el prototipo de un Foled que se vale de un sustrato inédito a base de biocelulosa, una especie de papel transparente denominado biopaper por los investigadores, con transparencia superior al 90% en la zona visible del espectro electromagnético, lo que significa que deja pasar casi toda la luz que incide sobre él. El grupo de investigadores, que se encuentra ahora elaborando una solicitud de patente de dicho dispositivo, presentó esta novedad ante la comunidad científica internacional en diciembre de 2008, mediante un artículo publicado en la revista Thin Solid Films.

Además de computadoras de mano, los papeles electrónicos flexibles también son esperados para su uso en paneles publicitarios, revistas y periódicos electrónicos, menúes de restaurantes y carteles de comercios, por ejemplo. Considerados una de las más prometedoras tecnologías de video e imagen del futuro, los Foleds son una respuesta a los esfuerzos que apuntan a la obtención de un dispositivo electrónico que combine las propiedades ópticas del papel, tales como la alta reflectividad, la flexibilidad y el contraste con la capacidad dinámica de las pantallas digitales convencionales que equipan notebooks, teléfonos celulares y PDA’s, las pequeñas computadoras de mano usadas en el comercio y en restaurantes. De entrada, el sustrato más utilizado para la preparación de estos dispositivos fue el vidrio, un material transparente y con buena resistencia mecánica, pero con una limitación evidente: la dificultad para fabricar pantallas y otros aparatos flexibles o plegables, debido a que sufre roturas con facilidad. La segunda apuesta recayó sobre los materiales poliméricos, que permiten la obtención de sistemas más livianos, flexibles y portátiles, sin perder la transparencia y la resistencia necesarias. Diversos polímeros, incluidos el PET, sigla de poli (tereftalato de etileno), el acetato de celulosa,  el policarbonato y el poliuretano, han sido empleados para la producción de dispositivos flexibles. El problema radica en que además de ser sintéticos o derivados de petróleo, requieren diversos tratamientos adicionales para generar un material ideal y en general no son biocompatibles ni biodegradables.

EDUARDO CESARSustrato de papel flexible: producción sin residuos tóxicosEDUARDO CESAR

Las ventajas del sustrato a base de biocelulosa creado por los brasileños se relacionan con el factor ambiental y con el sistema productivo, que es más sencillo, además de requerir una materia prima renovable. También llamada celulosa bacteriana (CB), ésta es producida por la bacteria Gluconacetobacter xylinus bajo la forma de mantas altamente hidratadas, con un 99% de agua y tan sólo el 1% de celulosa. Su proceso productivo no genera residuos tóxicos en el ambiente, tal como sucede mediante el empleo del método tradicional de producción de celulosa. Por ser biodegradable y biocompatible, permite también su uso en la fabricación de dispositivos médicos. “Aunque posee la misma estructura química de la celulosa de las plantas, la biocelulosa presenta mayor pureza, alta cristalinidad y una excepcional resistencia mecánica en comparación con su congénere vegetal”, explica el químico Younés Messaddeq, docente del Laboratorio de Materiales Fotónicos (Lamf) del IQ-Unesp.

En la preparación final del papel transparente, los investigadores incorporaron a la estructura microfibrilar de las membranas de biocelulosa un sistema híbrido que contiene alúmina y siloxano, éste último, un tipo de polímero a base de silicio. El agregado de estos compuestos incrementa la transparencia del biopaper, que saltó de un índice cercano al 40% en la región visible del espectro electromagnético a más del 90%, dice Hernane Barud, doctorando en química del Lamf. La síntesis del material híbrido alúmina-siloxano formó parte de la tesis doctoral del investigador José Maurício Almeida Caiut, que es becario de posdoctorado de la FAPESP en el IQ-Unesp.

Con luz propia
La biocelulosa tiene la estructura de una red tridimensional de hilos de dimensiones nanométricas (medidas equivalentes a un milímetro dividido por un millón) “las nanocelulosas” y tiene una amplia gama de aplicaciones que va de la medicina, como sustituta temporal de la piel en apósitos que ya se encuentran a la venta, fabricados por la empresa Fibrocel, de la localidad de Londrina, Paraná, a la industria de alimentos, en la fabricación de fibras dietéticas como la crema de coco, pasando por sustratos flexibles para la deposición de Oleds, sigla en inglés de dispositivos orgánicos emisores de luz. La ventaja de los Oleds con relación a las pantallas convencionales (plasma, LCD) actualmente en uso es su capacidad de producir luz propia. Su estructura se basa en la colocación de películas orgánicas entre dos materiales conductores. Cuando una corriente eléctrica pasa por éstos, el dispositivo emite luz brillante, en un proceso conocido como electroluminescencia.

El prototipo preparado por la Unesp y el Inmetro se basa en la fabricación de Oleds sobre un sustrato flexible, el biopaper, y tiene una estructura similar a la de un sándwich. Está compuesto por una serie de películas nanométricas con propiedades y funciones específicas. El sustrato, a su vez, se compone de biocelulosa, una capa de material conductor y una capa de dióxido de silicio (SiO2) que tiene la función de extraer la rugosidad del papel, que interfiere en la conducción eléctrica del dispositivo. El material conductor es en ese caso un film de óxido de indio dopado con estaño, un compuesto que lleva el nombre de ITO, o indium tin oxide, material empleado en la fabricación de pantallas de cristal líquido.

En la división de tareas, le cupo a la Unesp la creación de la biocelulosa y del biopaper, mientras que el Laboratorio de Dispositivos Orgánicos (Lador) de la División de Metrología Científica del Inmetro quedó como responsable de la fabricación y caracterización del Foled. “Una de las misiones de nuestro laboratorio es realizar investigaciones metrológicas de nuevas tecnologías basadas en materiales orgánicos, además de apoyar a la industria nacional y a otros centros de investigación en el desarrollo y la caracterización de materiales”, afirma Cristiano Legnani, investigador del Lador. “Desde 2006 estamos desarrollando en el Inmetro investigaciones en Oleds bajo vidrio y también bajo sustratos flexibles poliméricos tales como el poliuretano y polieteremida.”

EDUARDO CESARApósito producido con celulosa bacteriana que ya se encuentra en el mercadoEDUARDO CESAR

Una carrera al éxito
Fue en una visita a Araraquara en 2005 cuando el investigador Marco Cremona, profesor del Departamento de Física de la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-Rio) y jefe del Lador conoció las investigaciones relativas a la biocelulosa llevadas adelante por los profesores Messaddeq y Sidney José Lima Ribeiro. De ese encuentro surgió el interés en hacer conjuntamente el dispositivo flexible. De acuerdo con Messaddeq, el uso de biocelulosa para la fabricación de Foleds es inédito, si bien que un grupo japonés del Research Institute for Sustainable Humanosphere de la Universidad de Kioto ya había logrado desarrollar con éxito un prototipo que emplea un sustrato hecho con celulosa vegetal, aunque tampoco cuenta con un producto final.

Los investigadores Marco Cremona, Cristiano Legnani y Welber Quirino también esperan que la innovación que crearon pueda usarse en terapia fotodinámica, para el tratamiento del cáncer de piel y otras enfermedades dermatológicas. El uso de un sustrato flexible con propiedades biocompatibles como la biocelulosa es crucial para el desarrollo de esta tecnología. Con el método convencional empleado en este tratamiento, se le aplica al paciente un medicamento fotosensibilizante y el mismo se concentra en el tumor, que recibe un foco de luz (láser o LED’s), que resulta en la destrucción del tejido lesionado. Con el Foled, que se alimentaría con una pequeña batería menor que la de un celular, la droga se incorporaría al dispositivo y éste se ubicaría sobre la piel. “Como emite luz propia, el paciente podría irse a casa y desarrollar sus actividades normalmente, sin necesitar quedarse en el sanatorio recibiendo la luz, como en  el tratamiento convencional”, explica Legnani.

Según Messadde, los resultados iniciales del Foled de biocelulosa  fueron similares a los de dispositivos similares elaborados con vidrio, pero es necesario reducir todavía más las rugosidades en la superficie de las membranas de biocelulosa para aumentar así la eficiencia electroluminescente del papel electrónico. Recién después, la tecnología podrá pasar a manos de la industria. “La eficiencia, entendida como la razón entre la cantidad de la energía luminosa que suministra el dispositivo y la energía eléctrica consumida a tal fin y la calidad deben al menos ser comparables con las de los dispositivos actualmente existentes en el mercado (como las telas de LCD)”, explica Messaddeq, para quien, según su cálculo más optimista, los primeros productos basados en Foleds saldrían al mercado en 2015.

Artículo científico
LEGANI, C. et al. Bacterial cellulose membranes as flexible substrates for organic light emmiting devicesThin Solid Films. v. 517, p. 1.016-20, dic. 2008.

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