Alcatrão, o material cotidiano que sela as costuras em nossos telhados e calçadas, tem uma complexidade inesperada e pouco apreciada, de acordo com uma equipe de pesquisa do MIT:Algum dia pode ser útil como matéria-prima para uma variedade de dispositivos de alta tecnologia, incluindo sistemas de armazenamento de energia, revestimentos termicamente ativos, e sensores eletrônicos.

E não é apenas alcatrão. O professor Jeffrey Grossman também tem uma visão muito diferente de outros combustíveis fósseis. Em vez de usar esses materiais como commodities baratas para queimar, selar rachaduras com, ou descartar, ele vê potencial para uma ampla variedade de aplicações que tiram proveito da química altamente complexa embutida nessas antigas misturas de compostos de carbono derivados de biomassa.

Um benefício significativo de tais aplicativos é que eles fornecem uma maneira de reaproveitar materiais que, de outra forma, seriam queimados, adicionando às emissões de gases de efeito estufa, ou descartados em aterros sanitários. Esses usos podem levar a um "esverdeamento" do carvão e de outros materiais à base de carbono que, de outra forma, prejudicam o clima, Grossman diz.

Em sua última pesquisa, Homem nojento, junto com o pós-doutorado Xining Zang, o cientista pesquisador Nicola Ferralis, e cinco outros, descobriram maneiras de usar carvão, alcatrão, e pitch para produzir revestimentos finos com condutividade elétrica altamente controlável e reproduzível, porosidade, e outras propriedades. Usando um laser, eles puderam fazer protótipos de dispositivos baratos, materiais onipresentes, incluindo um supercapacitor para armazenar eletricidade, um medidor de tensão flexível, e um aquecedor transparente.

O trabalho, descrito no jornal Avanços da Ciência , explora maneiras alternativas de usar hidrocarbonetos pesados ​​carbonáceos, que se formaram ao longo de milhões de anos de processamento geológico de matéria vegetal em decomposição por meio do calor e da pressão. Esses materiais, Grossman diz, fornecem uma rica variedade de configurações atômicas com diferentes propriedades químicas e estruturais, incomparável por qualquer sintético, nanomateriais processados ​​à base de carbono.

Para fazer uso dessas propriedades materiais, a equipe usou um processo chamado recozimento a laser para criar camadas ultrafinas de materiais carbonáceos, depositado em um substrato. Eles produziram dispositivos funcionais específicos depositando e gravando padrões em camadas feitas de diferentes materiais à base de carbono.

Num sentido, o que a equipe fez é o inverso do processamento tradicional de combustíveis fósseis, em que a complexa mistura de hidrocarbonetos passa por estágio após estágio de quebra de ligações químicas e separação de diferentes compostos. Nesse trabalho, os vários tipos de complexos de hidrocarbonetos pesados ​​foram usados ​​exatamente como são, fazendo uso da ampla variedade de propriedades a serem encontradas nos diferentes materiais - tipos de carvão, alcatrão craqueado a vapor de petróleo, e pitch mesofásico, a maioria dos quais são subprodutos que normalmente precisam ser descartados ou combustíveis que estão sendo rapidamente eliminados.

Por meio de uma combinação de selecionar apenas o material de alimentação certo e variar o tempo e a força dos pulsos de laser usados ​​para recozer o material, a equipe foi capaz de controlar uma variedade de aspectos físicos, óptico, elétrico, magnético, e outras propriedades. Ao combinar diferentes materiais, eles dizem, toda uma gama de dispositivos pode ser produzida de uma só vez em um único substrato.

"Podemos então criar tudo, desde grafeno até algum tipo de polímero rico em aromáticos, "diz Ferralis, "e com propriedades que podem mudar amplamente, de serem isolantes térmicos e elétricos, aos condutores térmicos e elétricos. Podemos mudar a porosidade, de modo que nos permite não apenas criar filmes sólidos, mas também para criar materiais altamente porosos, para que possamos realmente fazer membranas. "

Esta variedade de propriedades do material pode ser misturada e combinada, talvez habilitando, por exemplo, a criação de uma variedade de "tintas" carbonosas para impressão 3-D, ele diz.

"Mas em vez de mudar as cores, "Ferralis diz, "você realmente muda o tipo de precursor que você faz. Você adiciona um pouco mais de alcatrão, um pouco menos de tom, ou um pouco mais de qualquer uma das outras coisas que destacamos no artigo. Isso poderia dar, por exemplo, a habilidade de fazer, dentro do mesmo filme, uma membrana, um dispositivo elétrico, e um sistema de armazenamento de energia, e assim por diante, sob demanda."

Os materiais podem ser virtualmente qualquer tipo de hidrocarboneto pesado, muitos dos quais existem em grande abundância como produtos residuais da produção de petróleo ou processamento químico. "Basicamente, o que estamos procurando é qualquer material que seja rico em aromáticos, significando hidrocarbonetos pesados ​​que as pessoas não sabem o que fazer com eles, "Zang diz." Portanto, somos bastante agnósticos sobre o que podemos usar. "

Usando pulsos precisamente sincronizados e ajustados de um laser de dióxido de carbono, a equipe foi capaz de controlar as propriedades do material revestido, explodindo-o com pulsos que poderiam gerar temperaturas altamente localizadas de até 2, 000 graus Celsius, ao mesmo tempo que deixa as áreas circundantes tão inalteradas que o processo pode ser realizado mesmo em substratos macios, como plásticos, eles dizem.

"Temos isso altamente heterogêneo, matéria-prima confusa, "diz Grossman, "mas é tão barato e rico em química útil." A ideia é entendê-lo bem o suficiente para poder "aplicar de forma simples, ferramentas de manufatura escalonáveis ​​para que possamos aproveitar essa compreensão para fazer algo diferente para nós. "Em resumo, ele diz, "estamos descobrindo este material que antes era considerado limitado em seu uso (apenas como um combustível para queimar, por exemplo), e ao compreender sua estrutura atômica, somos capazes de aplicar princípios de design e engenharia de materiais para torná-los úteis de maneiras mais amplas. "

Embora este trabalho inicial se concentrasse em filmes finos, as matérias-primas são tão baratas que, em última análise, esses materiais também podem ser usados ​​para aplicações a granel, Ferralis diz. "Se pudermos expandir este processo para sistemas em massa, isso pode ser usado em materiais estruturais, por exemplo, ou isolamento para residências. Coisas que realmente requerem muito material. "Pode até fornecer um impulso econômico para as regiões produtoras de carvão que agora sofrem com o colapso da indústria de usinas elétricas movidas a carvão para se tornarem produtores de uma nova família de produtos de alto valor , ele sugere.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.