Imagine um mundo onde telefones celulares e laptops podem ser carregados em questão de minutos em vez de horas, enrolado e guardado no seu bolso, ou caiu sem sofrer nenhum dano. É possível, de acordo com o professor Thomas H. Epps da Universidade de Delaware, III, mas os materiais ainda não chegaram.

Então, o que está impedindo a tecnologia?

Para iniciantes, seria mais condutivo, baterias flexíveis e mais leves, disse Epps, quem é Thomas e Kipp Gutshall Professor de Engenharia Química e Biomolecular e professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UD.

As baterias precisariam ser mais resistentes ao impacto e mais seguras, também. Em maio, um cigarro eletrônico explodiu na Flórida e matou um homem. As evidências sugerem que este infeliz acidente pode ser devido a problemas relacionados à bateria, de acordo com a U.S. Food and Drug Administration. Problemas semelhantes afetaram dispositivos como o Samsung Galaxy Note 7 e unidades de energia auxiliares do Boeing Dreamliner.

"Todos esses desafios vieram de baterias que apresentam problemas de segurança e estabilidade quando o objetivo é aumentar o desempenho, "disse Epps, um especialista em projetar e fabricar membranas condutoras úteis na geração de energia e dispositivos de armazenamento.

Uma maneira de superar esse desafio nas baterias de íon de lítio para os dispositivos acima é melhorar as membranas da bateria - e os eletrólitos associados - que são projetadas para transportar os íons de lítio, que compensa a carga elétrica associada ao carregamento e descarregamento da bateria.

Na UD, A equipe de Epps patenteou uma ideia para melhorar o desempenho da bateria introduzindo cones nos eletrólitos da membrana de polímero que permitem que os íons de lítio dentro da bateria viajem para frente e para trás mais rápido.

É uma grande ideia que começa com pequenas partes.

Pequena ciência, grande impacto

Tudo começa com polímeros, que são materiais feitos de pequenas moléculas unidas como contas em um colar para criar uma longa corrente. Ao conectar quimicamente duas ou mais cadeias de polímero com propriedades diferentes, os engenheiros podem criar polímeros em bloco que capitalizam as características salientes de ambos os materiais. Por exemplo, poliestireno em um copo de isopor é relativamente duro e quebradiço, enquanto o poliisopreno (extraído de uma seringueira) é viscoso e semelhante ao melaço. Quando esses dois polímeros estão ligados quimicamente, os engenheiros podem criar materiais para itens do dia-a-dia, como pneus de carros e elásticos - materiais que mantêm sua forma, mas são resistentes a impactos e extensíveis.

Epps foi apresentado para bloquear polímeros como um estudante de graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, enquanto trabalhava no laboratório da Professora Paula Hammond, e novamente quando ele trabalhou na Goodyear Tire &Rubber Company sob Adel Halasa como parte de uma bolsa GEM. A Goodyear estava explorando o uso de polímeros multicomponentes semelhantes aos cônicos para criar pneus com mais elasticidade, pneus que aderem melhor à estrada sem sacrificar o desempenho ou a durabilidade.

Anos depois, no trabalho na UD, O grupo de Epps levou a ideia um passo adiante e percebeu que poderia ajustar a nanoescala (1/1, 000º da largura de um cabelo humano) estrutura desses polímeros para imbuir materiais com certas mecânicas, propriedades térmicas e de condutividade.

Um dos benefícios dos polímeros em bloco é que eles permitem que os cientistas combinem dois ou mais componentes que muitas vezes são quimicamente incompatíveis, o que significa que eles não se misturam (pense em óleo e água). Este mesmo benefício, Contudo, pode apresentar desafios em como os materiais podem ser processados. O grupo Epps determinou que diminuir a região onde as duas cadeias de polímero distintas se conectam pode promover a mistura entre materiais altamente incompatíveis de uma forma que torna o processamento e a fabricação mais rápidos e baratos, exigindo menos energia ou menos solvente no processo de fabricação.

A manipulação do cone também permitiu aos pesquisadores controlar as estruturas em nanoescala que podem ser formadas pelos polímeros em bloco. Ao incorporar as velas, A equipe de Epps pode criar redes em nanoescala que tornam os materiais da bateria mais condutores - introduzindo rodovias em nanoescala e eliminando gargalos de tráfego, permitindo que os íons se movam em velocidades mais altas e tornando o polímero mais eficiente em aplicações de bateria.

"Tecnicamente, queremos conduzir íons mais rápido ... essa abordagem em polímeros nos permitiria obter mais potência das baterias. Isso permitiria que as baterias carregassem mais rápido, de uma maneira que também seja mais segura. Nós ainda não estamos lá, mas esse é o objetivo, "disse Epps, que patenteou o conceito através do Escritório de Inovação Econômica e Parcerias da UD.

Ele chama esse trabalho de "abordagem do designer" para a ciência dos polímeros.

Priyanka Ketkar, estudante de doutorado em engenharia química e biomolecular, quer fazer a diferença no mundo por meio da pesquisa. Ketkar descreveu o grupo de pesquisa Epps como uma boa opção, onde ela está exercitando seu músculo mental em problemas consequentes relacionados ao armazenamento de energia.

Em experimentos de laboratório, Ketkar e outros do grupo Epps mostraram que a introdução de uma região cônica entre as cadeias de eletrólitos de polímero realmente aumentou a condutividade iônica geral em uma faixa de temperaturas. Em temperatura ambiente, por exemplo, os materiais cônicos são duas vezes mais condutores que suas contrapartes não cônicas. Mas isso não é tudo. A conicidade melhora a capacidade do material de ser processado, também.

"Métodos anteriores para aumentar a condutividade tornaram o polímero mais difícil de processar ou usaram maiores quantidades de solvente químico, o que torna o material mais inflamável e menos ecológico, "Ketkar disse." É por isso que estou realmente animado com esta nova abordagem. "

Os polímeros projetados são úteis para baterias de íon-lítio, mas também aplicável a outros sistemas recarregáveis, como baterias de íon de sódio e íon de potássio, Epps disse. Outras aplicações incluem o uso de polímeros cônicos para fazer materiais que podem ser produzidos em temperaturas mais baixas ou com menos solvente para aplicações como pneus, elásticos e adesivos.

As aplicações futuras incluem baterias flexíveis

À medida que a tecnologia avança rapidamente, Epps espera que os próximos cinco a 10 anos inaugurem uma infinidade de dispositivos que podem flexionar e rolar, como telefones celulares e computadores.

"A única maneira de isso funcionar é se todos os componentes forem flexíveis, incluindo a bateria e unidades de energia, não apenas o caso, tela ou botões, "Epps disse." Este aspecto é onde os polímeros em bloco se tornam realmente ideais porque - como um elástico que lembra sua forma apesar do alongamento, dobra e outras manipulações - com polímeros, você pode tornar os componentes internos mais resistentes a impactos e absorção de choques, o que vai melhorar a vida útil do telefone. "

Pode haver outras aplicações para polímeros de designer, também.

"E se houvesse um sensor dentro da bola de futebol que foi projetado para alertar os oficiais quando um jogador cruza uma jarda específica, diga para uma primeira descida, "Epps disse." Você não precisaria confiar na visão de campo de um oficial da jogada ou no replay instantâneo. "

Mas, bolas de futebol são arremessadas e os jogadores que as seguram costumam ser atingidos.

"Você precisaria de algo que não quebrasse ou vazasse, então, usando um polímero que tem as propriedades materiais de, digamos, Um elástico, que também pode conduzir íons como uma bateria seria uma solução perfeita, "Epps disse." Esta avenida é uma direção na qual você poderia imaginar esses materiais florescendo. "

Epps foi recentemente nomeado membro da Royal Society of Chemistry, com sede no Reino Unido. Para receber esta homenagem, os cientistas devem ter causado um impacto nas ciências químicas.