Inspirado por membranas nos tecidos do corpo de organismos vivos, os cientistas combinaram nanofibras de aramida usadas em Kevlar com nitreto de boro para construir uma membrana para coletar a energia do oceano que é forte como o osso e adequada para o transporte de íons como a cartilagem. A pesquisa, publicado em 18 de dezembro na revista Joule, supera os principais desafios de design para tecnologias que aproveitam a energia osmótica (diferenças de gradiente de pressão e salinidade entre a água doce e a água do oceano) para gerar uma forma ecológica e amplamente disponível de energia renovável.

Os geradores de energia osmótica variam menos de um dia para o outro do que as fazendas de energia solar e eólica, tornando-os mais confiáveis ​​do que esses produtos básicos de energia verde. Contudo, o barro, óxido de grafeno, MXene, e nanomateriais de dissulfeto de molibdênio comumente usados ​​em membranas tendem a colapsar e desintegrar em água.

Embora nanofolhas feitas de nitreto de boro tenham se mostrado promissoras recentemente, permanecendo estável conforme as temperaturas aumentam e não reagindo facilmente com outras substâncias, membranas feitas de nitreto de boro sozinho também não são resistentes o suficiente para resistir à água por um longo tempo, rapidamente começando a vazar íons à medida que desenvolvem rachaduras microscópicas.

"Novas membranas compostas de nitreto de boro avançadas com propriedades novas e robustas resolverão este problema, que está em alta demanda agora, "diz Weiwei Lei, o cientista líder deste projeto na Austrália, um pesquisador sênior do Instituto de Materiais de Fronteira (IFM) da Deakin University.

"A energia osmótica representa um enorme recurso para a humanidade, mas sua implementação é severamente limitada pela disponibilidade das membranas seletivas de íons de alto desempenho, "diz Nicholas Kotov, o cientista líder nos EUA, professor de engenharia da Universidade de Michigan.

Lei, Kotov, e seus colegas decidiram resolver este problema, voltando-se para os tecidos de criaturas vivas como um projeto, observando que muitas variedades diferentes de membranas seletivas de íons de alto desempenho são necessárias para facilitar as reações biológicas em seus corpos. Eles notaram que, embora os tecidos moles, como cartilagem, membranas renais, e membranas basais, permite que os íons passem com facilidade, eles são fracos e frágeis. Em contraste, ossos são excepcionalmente fortes e rígidos, mas sem o benefício do transporte eficiente de íons.

“Encontramos uma maneira de 'casar' esses dois tipos de materiais para obter as duas propriedades ao mesmo tempo, usando nanofibras de aramida que tornam materiais fibrosos flexíveis semelhantes à cartilagem e nitreto de boro que torna as plaquetas semelhantes ao osso, "Kotov diz.

"Nossas membranas de nanocompósitos bioinspirados têm certas vantagens, como alta robustez e serem mais fáceis de fabricar e oferecem maior multifuncionalidade do que as membranas feitas de um único material, "Diz Lei.

Os pesquisadores construíram a membrana híbrida usando montagem camada por camada, um método para recriar compostos complexos em camadas que funciona especialmente bem para tecnologias de água. Eles aplicaram pressão a um reservatório da membrana de nitreto de aramida-boro em solução de cloreto de sódio para observar sua corrente e compararam com outras membranas de nanomateriais, descobrir que a estreiteza de seus canais permite atrair cátions de sódio e repelir ânions de cloreto melhor do que outros compostos porosos. Lei, Kotov, e colegas também enxaguaram repetidamente a membrana em cloreto de sódio por vinte ciclos para monitorar sua estabilidade, descobrindo que continuou a funcionar de forma ideal após 200 horas.

"Nossa nova membrana composta tem espessura ajustável e alta estabilidade em temperaturas que variam de 0 a 95 graus Celsius e em um pH de 2,8 a 10,8, "Diz Lei.

"Componentes baratos e longevidade de membrana tornam a coleta de energia oceânica realista, "diz Dan Liu, o autor principal do artigo, também na Deakin IFM.

Completamente, os pesquisadores concluíram que a membrana de nitreto de aramida-boro é adequada para resistir a uma ampla gama de condições que eles esperariam encontrar durante a geração de energia osmótica. Eles também acreditam que a tecnologia é altamente escalável, especialmente porque ambos os componentes são baratos. Nanofibras de aramida podem até ser obtidas de tecido Kevlar descartado.

"Estas são as membranas de melhor desempenho conhecidas até agora, "diz Kotov." No entanto, eles ainda não estão totalmente otimizados. Um desempenho ainda melhor pode ser obtido. "