A las puertas de la electrónica elástica

Los componentes electrónicos flexibles, como las pantallas que se enrollan y los teclados blandos, existen desde hace años. Ahora es posible desarrollar circuitos muy delgados que pueden estirarse sin perder conectividad. Las posibilidades que se abren son numerosas e interesantes, desde biosensores más eficaces hasta piel electrónica artificial.

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), Suiza, han desarrollado circuitos elásticos capaces de conducir electricidad y que pueden ser estirados hasta cuatro veces su longitud inicial sin dejar de funcionar. Los responsables de esta innovación sostienen que estos circuitos creados son casi tan flexibles como la goma.

El logro del equipo -formado por los investigadores Michaud Hadrien y Arthur Hirsch, y dirigido por la responsable del laboratorio de interfaces bioelectrónicos blandos de la EPFL, Stéphanie Lacour- ha sido poder desarrollar un circuito sobre un film que puede ser retorcido y estirado en todas las direcciones hasta un millón de veces sin agrietarse o perder sus propiedades conductivas.

Este avance podría tener aplicaciones en un futuro en el desarrollo de piel artificial sensible, así como en la confección de ropa inteligente conectada o de sensores para monitorizar funciones biológicas que pudieran adherirse al cuerpo como una segunda piel.

Metales líquidos

El secreto está en los materiales: es necesario contar con un metal líquido, capaz de adaptarse los movimientos elásticos sin dejar de conducir la electricidad. Hasta ahora, los experimentos realizados en este sentido habían producido estructuras relativamente gruesas. En este caso, los investigadores han utilizado una aleación de oro y galio sobre un delgado polímero elástico, de modo que han logrado fabricar circuitos de unos pocos nanómetros de grosor.

Hirsch explica que el galio es buen conductor de la electricidad y tiene un bajo punto de fusión, alrededor de 28,5 grados centígrados. De hecho, este metal se usa comercialmente desde hace tiempo, mezclado con el indio y el estaño (galistano), como sustituto del mercurio en termómetros por su menor toxicidad.

"Gracias al proceso conocido como sobreenfriamiento permanece en estado líquido a temperatura ambiente". "Una capa de oro", añade el investigador, "asegura que el galio permanezca homogéneo y evita que se separe en gotitas cuando entra en contacto con el polímero, lo que arruinaría su conductividad".

Por su parte, Michaud comenta que "los dos materiales se entrelazan y forman una película continua que mantiene su conductividad incluso cuando el material es estirado cuatro veces su longitud". Así, mediante esta técnica pueden lograr circuitos muy delgados, elásticos y muy fiables.

Abrazo electrónico

"Los circuitos flexibles existen desde hace un par de décadas", comenta Hirsch a EL ESPAÑOL, "y por lo general utilizan películas delgadas de metales conductores [oro, cobre, etc.] sobre una lámina de plástico flexible de materiales como poliamida o PET". Efectivamente, se pueden encontrar en impresoras, teléfonos celulares y muchos objetos eléctricos miniaturizados.

"Sin embargo", apunta este experto, "estos soportes flexibles sólo pueden doblarse de una forma cada vez vez, están limitados a una deformación simple". Por ejemplo, uno puede envolver un papel alrededor de un cilindro o un cono fácilmente, pero esto se complica si queremos envolver una forma esférica. "Para envolver con un material plano este tipo de objetos habría que estirarlo, y el desarrollo de la electrónica elástica permite ajustar estos soportes a objetos complejos, como el cuerpo humano, sin perder conectividad". Se trata del primer paso hacia un material electrónico capaz de abrazarnos.

¿ Es posible imaginar apósitos o biosensores totalmente elásticos? EPFL/LSBI

Hirsch explica los dos principales retos: uno relacionado con los materiales y otro, con el proceso. "Por un lado, casi todos los materiales electrónicos son frágiles, se fracturan enseguida a la menor elongación, por tanto no son adecuados para la electrónica elástica", apunta.

Ahora, "el galio ha emergido como un material prometedor para conductores estirables", comenta Hirsch, y añade: "Este metal es liquido casi a temperatura ambiente". El problema, señala el investigador, es su alta tensión superficial y que el galio líquido se ve rodeado de una capa de óxido de un espesor de pocos nanómetros, "lo que hace que sea difícil crear una película delgada" con este metal. Aquí entra en acción el oro: "Cuando se deposita el galio sobre una fina película de oro, forma una película continua de una aleación de oro/galio sólido y galio líquido; ésta es capaz de deformarse y volver a su forma inicial al sufrir una deformación aplicada".

Un largo camino

El desarrollo de un material electrónico elástico es una aspiración relativamente vieja. Hasta la fecha, los esfuerzos se habían concretado en la obtención de cables capaces de estirarse sin perder su conductividad. En 2011, la compañía química japonesa Asahi Kasei presentaba Roboden, un cable capaz de estirarse hasta 1,5 veces su longitud, inicialmente ideado para aplicaciones robóticas.

Poco después, a mediados de 2013, investigadores del Departamento de Química e Ingeniería Biomolecular de la North Carolina State University publicaban los resultados de una investigación en la que lograron fabricar fibras ultraflexibles con conductividad, gracias a una aleación de galio e indio (EGaIn) inyectada en el núcleo de fibras huecas estirables de un polímero. Estos ingenieros lograron estirar estas fibras nada menos que hasta ocho veces su tamaño inicial sin perder dicha conductividad.

Ahora, el logro de los investigadores de la EPFL da un importante paso más allá. "Hasta ahora no había técnicas capaces de producir películas delgadas y estirables, capaces de combinar una alta conductividad y buenas propiedades electromecánicas", afirma Hirsch. 

Al final, este avance podría terminar integrándose en objetos electrónicos deformables -pensemos en sus posibilidades en la industria textil, por ejemplo- o aquellos con un diseño complejo. "El rango de aplicaciones es muy amplio y abarca desde los edificios inteligentes, los automóviles y la industria del envasado, hasta sectores como el del bienestar o la salud", comenta Hirsch. "Por ejemplo, estamos explorando cómo utilizar esta tecnología para lograr una piel artificial que 'sienta' como la piel humana", añade.