p Um professor da Faculdade de Ciências da Virginia Tech deseja fornecer energia a aviões e carros usando a energia armazenada em seus invólucros externos. Ele pode ter descoberto um caminho em direção a essa visão usando fibras de carbono porosas feitas do que é conhecido como copolímeros em bloco. p Fibras de carbono, já conhecido como um material de engenharia de alto desempenho, são amplamente utilizados nas indústrias aeroespacial e automotiva. Uma aplicação são as carcaças de carros de luxo, como Mercedes-Benz, BMW, ou Lamborghini.

p Fibras de carbono, finos fios de carbono parecidos com cabelos, possuem várias propriedades de matéria-prima:eles são mecanicamente fortes, quimicamente resistente, electricamente condutora, retardante de fogo, e talvez o mais importante, leve. O peso das fibras de carbono melhora a eficiência de combustível e energia, produzindo jatos e veículos mais rápidos.

p Projetando materiais para estrutura e função

p Guoliang "Greg" Liu, um professor assistente no Departamento de Química, concebeu a ideia de criar fibras de carbono que não fossem apenas estruturalmente úteis; eles também seriam funcionalmente úteis.

p "E se pudéssemos projetá-los para ter funcionalidade, como armazenamento de energia? ", disse Liu, também é membro do Macromolecules Innovation Institute. "Se você quiser que eles armazenem energia, você precisa ter locais para colocar íons. "

p Liu disse que idealmente as fibras de carbono poderiam ser projetadas para ter microfuros uniformemente espalhados por toda parte, semelhante a uma esponja, que armazenaria íons de energia.

p Depois de ajustar um método convencional de longa data de produção química de fibras de carbono, Liu agora desenvolveu um processo para sintetizar fibras de carbono porosas pela primeira vez com tamanho e espaçamento uniformes. Ele detalha esse trabalho em um artigo publicado recentemente na revista de alto impacto Avanços da Ciência .

p "Fazer fibras de carbono porosas não é fácil, "Liu disse." As pessoas tentam isso há décadas. Mas a qualidade e a uniformidade dos poros nas fibras de carbono não eram satisfatórias.

p "Nós projetamos, sintetizado, e, em seguida, processou esses polímeros no laboratório, e então os transformamos em fibras de carbono porosas. "

p Usando copolímeros em bloco para criar fibras de carbono porosas

p Liu usou um processo químico de várias etapas usando dois polímeros - longo, repetindo cadeias de moléculas - chamadas de poliacrilonitrila (PAN) e poli (acrilonitrila-bloco-metacrilato de metila) (PMMA).

p PAN é bem conhecido no campo da química de polímeros como um composto precursor de fibras de carbono, e o PMMA atua como um material de retenção que mais tarde é removido para criar os poros.

p Mas no passado, outros químicos costumavam misturar PAN e PMMA separadamente em uma solução. Isso criou fibras de carbono porosas, mas com poros de tamanhos e espaçamentos diferentes. O armazenamento de energia pode ser maximizado com maior área de superfície, que ocorre com menor, poros uniformes.

p Liu teve a nova ideia de unir PAN e PMMA, criando o que é conhecido como copolímero em bloco. Metade do polímero composto é PAN, e a outra metade é PMMA, e eles estão covalentemente ligados no meio.

p "Esta é a primeira vez que utilizamos copolímeros em bloco para fazer fibras de carbono e a primeira vez que usamos fibras de carbono porosas à base de copolímero em bloco no armazenamento de energia, "Liu disse." Freqüentemente, estamos apenas pensando do ponto de vista do processo, mas aqui estamos pensando do ponto de vista do design de materiais. "

p Depois de sintetizar o copolímero em bloco no laboratório, a solução viscosa então passou por três processos químicos para obter fibras de carbono porosas.

p A primeira etapa é a eletrofiação, um método que usa força elétrica para criar fios fibrosos e endurecer a solução em um material semelhante ao papel. Próximo, Liu submeteu o polímero a um processo de aquecimento por oxidação. Nesta etapa, o PAN e o PMMA se separaram naturalmente e se auto-montaram nos filamentos do PAN e nos domínios uniformemente dispersos do PMMA.

p Na etapa final, conhecido como pirólise, Liu aqueceu o polímero a uma temperatura ainda mais alta. Este processo solidificou PAN em carbono e removeu PMMA, deixando para trás mesoporos e microporos interconectados em toda a fibra.

p Novas possibilidades no armazenamento de energia

p Embora essa descoberta melhore um material de engenharia de alto desempenho, talvez o maior avanço seja a capacidade de usar copolímeros em bloco para criar estruturas porosas uniformes para possibilidades de armazenamento de energia.

p "Isso abre a maneira como pensamos sobre o design de materiais para armazenamento de energia, "Disse Liu." Agora também podemos começar a pensar na funcionalidade. Não usamos (fibras de carbono) apenas como um material estrutural, mas também um material funcional. "

p Liu estava brincando com essa ideia desde que se juntou à Virginia Tech em 2014, mas ele iniciou uma pesquisa formal sobre essa ideia depois de enviar uma proposta vencedora por meio do Programa de Jovens Investigadores da Força Aérea (YIP) em 2016.