O design de novos materiais sofisticados está passando por um rápido avanço tecnológico. As inovações na ciência dos materiais prometem melhorias transformadoras em setores que vão da energia à manufatura.

Em um novo estudo, pesquisadores do Biodesign Institute da ASU e seus colegas exploram novos materiais com propriedades físicas que podem ser personalizados para atender a necessidades específicas. O trabalho é inspirado em mecanismos da natureza, onde a estrutura tridimensional complexa das proteínas circundantes influencia as propriedades eletroquímicas dos metais em seu núcleo.

Os avanços podem ter amplas implicações para o projeto de muitas inovações úteis para a tecnologia de semicondutores, energia sustentável e produção industrial.

Mundo material

O autor principal Brian Wadsworth e seus colaboradores descrevem técnicas para imobilizar complexos de metal em suportes físicos que são transparentes e condutores. Os materiais híbridos resultantes permitem o controle sintético sobre a configuração, permitindo que os pesquisadores regulem o transporte de elétrons dentro do material composto.

O controle preciso sobre o desempenho do material pode ser obtido por meio da modificação das interfaces do material. De acordo com o autor correspondente Gary Moore, "sempre que duas coisas se tocam, eles formam uma interface. As interfaces de materiais são centrais para o nosso trabalho. "É nessas regiões que ocorrem as modificações destinadas a ajustar as propriedades físicas de um material.

O estudo atual estende os esforços anteriores do grupo com materiais semicondutores, que envolveu a captação e conversão de energia solar para a produção de combustíveis. Conseguir isso requer a capacidade de controlar reações e entidades químicas que aumentam sua taxa, conhecidos como catalisadores. "Nosso uso de moléculas em superfícies pode ter uma ampla gama de aplicações, incluindo conversão de energia solar, catálise, e fabricação de produtos químicos por meio da química verde, "Moore diz.

Além de Wadsworth e Moore, ambos pesquisadores do Biodesign Center for Applied Structural Discovery, a equipe inclui Diana Khusnutdinova e Jennifer M. Urbine, (anteriormente no Biodesign Institute e atualmente na Intel e no programa de doutorado na UC Irvine, respectivamente). Ahlea S. Reyes, que começou a trabalhar no laboratório de Moore como estudante do ensino médio e atualmente é graduando na ASU, também contribuiu para o novo estudo.

A pesquisa estampa a capa do último número da revista. Materiais e interfaces aplicados ACS .

Centro de Controle

Os catalisadores desempenham um papel vital nos processos que envolvem a conversão de energia e são importantes tanto na biologia quanto na tecnologia. O estudo atual fornece informações valiosas que podem levar a avanços na eficiência, confiabilidade e escalabilidade de soluções de energia sustentável. A crescente crise de energia coloca esforços para entender melhor a eletroquímica de novos materiais rapidamente e abre possibilidades de longo alcance para novas tecnologias.

Os catalisadores convencionais, como os usados ​​na indústria, geralmente são baseados em superfícies bidimensionais. Aqui, reagentes são reunidos a fim de produzir um produto desejado. Os catalisadores aceleram a taxa de tais reações. Uma das transformações mais básicas é a produção de hidrogênio, onde elétrons e prótons são reunidos para formar hidrogênio molecular. Nesse caso, a platina é comumente usada como catalisador.

Natureza, Contudo, encontrou um meio mais barato e eficiente de produção de hidrogênio. "A biologia não usa folhas bidimensionais de platina, "Moore explica. Em vez disso, as formas de vida realizam essa transformação com o auxílio de enzimas especializadas. "As enzimas geralmente contêm centros de metal onde a reatividade está ocorrendo, mas sua especificidade vem de suas estruturas tridimensionais únicas. "

Sua abordagem única resulta em materiais inspirados por essas arquiteturas tridimensionais para orientar as reações que reúnem vários substratos - substâncias sobre as quais os catalisadores atuam. Criação de ambientes tridimensionais de matéria mole, semelhantes aos encontrados nas proteínas, permite que os pesquisadores apliquem o controle refinado dessas reações no espaço e no tempo.

"Brian desenvolveu uma abordagem para anexar revestimentos moleculares relativamente finos, incluindo polímeros, em uma superfície de eletrodo, "Moore diz." Agora, essas superfícies de eletrodo têm ambientes moleculares tridimensionais, onde podemos propositalmente depositar um centro de metal. "Esses centros de metal são os locais das chamadas reações de redução-oxidação ou redox, onde os elétrons são ganhos ou perdidos.

Superando a fadiga do metal

O método ajuda a superar um dos principais fatores limitantes no projeto de catalisadores eficazes. Os catalisadores convencionais normalmente usam metais de terras raras, como platina, que, como seu nome indica, são escassos e muito caros. Em vez de, criando um material híbrido tridimensional que consiste em componentes homogêneos estruturalmente bem definidos que são ligados a uma estrutura de suporte heterogênea, o material sintético pode ser feito com metais muito mais baratos e mais abundantes em terra, como o cobalto (usado no estudo atual). Os autores enfatizam que essas inovações podem não apenas reduzir o custo de novos materiais, mas também melhorar sua eficiência e estabilidade. "Novamente, essa é a parte bioinspirada de nossa visão para o desenvolvimento desses revestimentos moleculares, "Moore diz.

Para projetar o novo material, Wadsworth usa algumas das sofisticadas químicas de fixação desenvolvidas em trabalhos anteriores em semicondutores coletores de luz. Os experimentos descritos no novo artigo investigam os efeitos da aplicação dessas substâncias químicas nas superfícies de materiais condutores. Isso permite que os pesquisadores investiguem diretamente as propriedades eletroquímicas dos centros de metal embutidos. "Estamos obtendo informações mecanicistas sobre como o material macio ou os ambientes semelhantes a proteínas controlam a química que ocorre no centro do metal, "Wadsworth diz.

Uma vez que os complexos contendo metal são ligados à superfície do eletrodo, o ambiente molecular circundante pode ser sutilmente modificado para alterar as respostas redox. "Toda transformação química envolve mudanças na estrutura e energia que estão associadas a um potencial químico, "Moore diz." Os revestimentos relatados neste trabalho permitem que os centros de metal imobilizados na superfície operem em uma gama relativamente grande de potenciais para aplicações em uma variedade de processos químicos e tecnologias emergentes. "

Catalisando pesquisas

Algumas dessas novas idéias foram recentemente discutidas na Conferência da Sociedade Interamericana de Fotoquímica de Inverno (I-APS), que aconteceu em Sarasota, Flórida, 2 a 5 de janeiro, 2020. A animada conferência foi co-organizada por Moore e sua colega Elizabeth Young da Lehigh University e reuniu cientistas importantes em todas as áreas das ciências fotoquímicas, da América do Norte e do Sul.

Na reunião, Wadsworth apresentou um pôster intitulado "Bridging Concepts between Heterogeneous-, Homogêneo-, e Bio-Catálise para Modelar Reações Fotoeletrossintéticas "e recebeu um prêmio apoiado pela revista Materiais e interfaces aplicados ACS , (o mesmo jornal apresentando a história de capa da pesquisa atual).

Os pesquisadores acreditam que um dos pontos fortes das estratégias bioinspiradas e baseadas em moléculas é a diversidade na estrutura e na função que essa abordagem permite. “A diversidade traz mais criatividade e promove inovação. Essa noção é alavancada não apenas nos materiais que construímos, mas também na equipe de pesquisadores que orienta a evolução contínua de nossa ciência, "Moore diz." O trabalho atual apresenta contribuições do ensino médio, estudante universitário, graduado, e alunos de pós-graduação de todo o mundo. "