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  • Nova tecnologia fotovoltaica de automontagem que se auto-repara
    p Esta versão de prova de conceito da célula fotoeletroquímica, que foi usado para testes de laboratório, contém uma solução fotoativa composta de uma mistura de moléculas de automontagem (em um cilindro de vidro mantido no lugar por uma braçadeira de metal) com dois eletrodos saindo do topo, um feito de platina (fio desencapado) e outro de prata (em um tubo de vidro). Foto:Patrick Gillooly

    p As plantas são boas em fazer o que cientistas e engenheiros têm lutado para fazer há décadas:converter a luz solar em energia armazenada, e fazendo isso de forma confiável dia após dia, Ano após ano. Agora, alguns cientistas do MIT conseguiram imitar um aspecto-chave desse processo. p Um dos problemas com a coleta de luz solar é que os raios do sol podem ser altamente destrutivos para muitos materiais. A luz solar leva a uma degradação gradual de muitos sistemas desenvolvidos para aproveitá-la. Mas as plantas adotaram uma estratégia interessante para resolver esse problema:elas constantemente quebram suas moléculas de captura de luz e as remontam do zero, então as estruturas básicas que capturam a energia do sol são, na verdade, sempre novo.

    p Esse processo agora foi imitado por Michael Strano, o Professor Associado Charles e Hilda Roddey de Engenharia Química, e sua equipe de alunos de pós-graduação e pesquisadores. Eles criaram um novo conjunto de moléculas de automontagem que podem transformar a luz do sol em eletricidade; as moléculas podem ser repetidamente quebradas e, em seguida, remontadas rapidamente, apenas adicionando ou removendo uma solução adicional. Seu artigo sobre o trabalho foi publicado em 5 de setembro em Química da Natureza .

    p Strano diz que a ideia lhe ocorreu pela primeira vez quando ele estava lendo sobre biologia vegetal. “Fiquei realmente impressionado com a forma como as células vegetais têm este mecanismo de reparo extremamente eficiente, " ele diz. Em pleno sol de verão, “Uma folha de uma árvore está reciclando suas proteínas a cada 45 minutos, mesmo que você possa pensar nisso como uma fotocélula estática. ”

    p Um dos objetivos de pesquisa de longo prazo de Strano tem sido encontrar maneiras de imitar os princípios encontrados na natureza usando nanocomponentes. No caso das moléculas usadas para fotossíntese em plantas, a forma reativa do oxigênio produzida pela luz solar faz com que as proteínas falhem de uma maneira muito precisa. Como Strano descreve, o oxigênio "desata uma corda que mantém a proteína unida, ”Mas as mesmas proteínas são rapidamente remontadas para reiniciar o processo.

    p Toda essa ação ocorre dentro de cápsulas minúsculas chamadas cloroplastos, que residem dentro de cada célula vegetal - e é onde acontece a fotossíntese. O cloroplasto é “uma máquina incrível, ”Strano diz. “Eles são motores notáveis ​​que consomem dióxido de carbono e usam luz para produzir glicose, ”Um produto químico que fornece energia para o metabolismo.

    p Para imitar esse processo, Strano e sua equipe, apoiado por doações da MIT Energy Initiative, o Eni Solar Frontiers Center no MIT e o Departamento de Energia, produziram moléculas sintéticas chamadas fosfolipídios que formam discos; esses discos fornecem suporte estrutural para outras moléculas que realmente respondem à luz, em estruturas chamadas centros de reação, que liberam elétrons quando atingidos por partículas de luz. Os discos, carregando os centros de reação, estão em uma solução em que se ligam espontaneamente a nanotubos de carbono - tubos ocos semelhantes a fios de átomos de carbono que têm alguns bilionésimos de metro de espessura, mas são mais fortes do que o aço e capazes de conduzir eletricidade mil vezes melhor do que o cobre. Os nanotubos mantêm os discos de fosfolipídios em um alinhamento uniforme para que os centros de reação possam ser expostos à luz solar de uma vez, e também atuam como fios para coletar e canalizar o fluxo de elétrons liberados pelas moléculas reativas.

    p O sistema produzido pela equipe de Strano é composto por sete compostos diferentes, incluindo os nanotubos de carbono, os fosfolipídios, e as proteínas que constituem os centros de reação, que sob as condições certas se montam espontaneamente em uma estrutura de coleta de luz que produz uma corrente elétrica. Strano diz que acredita que isso bate um recorde de complexidade de um sistema de automontagem. Quando um surfactante - semelhante em princípio aos produtos químicos que a BP pulverizou no Golfo do México para separar o óleo - é adicionado à mistura, os sete componentes se separam e formam uma solução pastosa. Então, quando os pesquisadores removeram o surfactante empurrando a solução através de uma membrana, os compostos se reuniram espontaneamente mais uma vez em uma forma perfeita, fotocélula rejuvenescida.

    p “Basicamente, imitamos truques que a natureza descobriu ao longo de milhões de anos” - em particular, "reversibilidade, a capacidade de se separar e remontar, ”Strano diz. O time, que incluiu o pesquisador de pós-doutorado Moon-Ho Ham e o estudante de graduação Ardemis Boghossian, surgiu com o sistema com base em uma análise teórica, mas então decidiu construir um protótipo de célula para testá-lo. Eles executaram a célula em ciclos repetidos de montagem e desmontagem ao longo de um período de 14 horas, sem perda de eficiência.

    p Strano diz que ao conceber novos sistemas para gerar eletricidade a partir da luz, os pesquisadores não costumam estudar como os sistemas mudam ao longo do tempo. Para células fotovoltaicas convencionais à base de silício, há pouca degradação, mas com muitos novos sistemas sendo desenvolvidos - seja por um custo mais baixo, maior eficiência, flexibilidade ou outras características aprimoradas - a degradação pode ser muito significativa. “Muitas vezes as pessoas veem, mais de 60 horas, a eficiência caindo para 10 por cento do que você viu inicialmente, " ele diz.

    p As reações individuais dessas novas estruturas moleculares na conversão da luz solar são cerca de 40 por cento eficientes, ou cerca do dobro da eficiência das melhores células solares da atualidade. Teoricamente, a eficiência das estruturas pode ser próxima a 100 por cento, ele diz. Mas no trabalho inicial, a concentração das estruturas na solução era baixa, portanto, a eficiência geral do dispositivo - a quantidade de eletricidade produzida para uma determinada área de superfície - era muito baixa. Eles estão trabalhando agora para encontrar maneiras de aumentar muito a concentração.

    p Philip Collins '90, professor associado de física experimental e da matéria condensada na Universidade da Califórnia, Irvine, que não estava envolvido neste trabalho, diz, “Uma das diferenças remanescentes entre os dispositivos feitos pelo homem e os sistemas biológicos é a capacidade de regeneração e autorreparação. Fechar essa lacuna é uma promessa da nanotecnologia, uma promessa que tem sido alardeada por muitos anos. O trabalho de Strano é o primeiro sinal de progresso nesta área, e sugere que a ‘nanotecnologia’ está finalmente se preparando para avançar além dos nanomateriais e compostos simples para este novo reino. ”


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