p Atuadores são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica, como o dispositivo alimentado por bateria dentro de um telefone celular que faz o telefone vibrar. Quando esse processo é revertido - quando um dispositivo converte energia mecânica em energia elétrica - o dispositivo é chamado de coletor de energia, e que a energia elétrica é freqüentemente armazenada para uso futuro. Um exemplo seria um dispositivo dentro de um marca-passo que converte a energia mecânica criada pelo movimento de um par de pulmões respirando em energia elétrica que pode ser usada para carregar as baterias do marca-passo. p Ambos os dispositivos normalmente contêm materiais eletromecânicos, como polímeros eletroativos, que são feitos de moléculas semelhantes a cadeias que mudam de tamanho ou forma quando estimuladas por um campo elétrico. Mas sua eficiência e velocidade dependem da rapidez com que os íons, ou partículas eletricamente carregadas, pode se mover entre os eletrodos, ou os condutores pelos quais a corrente elétrica passa, para alterar o tamanho ou a forma do polímero. Os íons mais rápidos podem se mover entre os eletrodos, quanto mais condutividade iônica esses eletrodos terão e mais responsivo o material será ao campo elétrico. Embora esses polímeros geralmente contenham nanopartículas que são dispersas aleatoriamente por todo o material para torná-lo condutor, isso retarda os íons, forçando-os a viajar em caminhos em zigue-zague ao redor das partículas minúsculas.

p Recentemente, um pesquisador do MIT colaborou com uma equipe de engenheiros elétricos da Pennsylvania State University para desenvolver uma nova maneira de os íons viajarem mais rapidamente entre os eletrodos do que nos polímeros tradicionais. Brian L. Wardle, professor associado de aeronáutica e astronáutica, e seus colegas projetaram eletrodos contendo nanotubos de carbono alinhados - minúsculos, cilindros ocos feitos de átomos de carbono - para serem usados ​​em um polímero eletroativo. Conforme relatam em um artigo a ser publicado em 8 de outubro em Materiais Funcionais Avançados , esse alinhamento criou “vias expressas” que permitiram que os íons viajassem mais rapidamente entre os eletrodos. Especificamente, os pesquisadores estimam que a condutividade iônica desses eletrodos é cerca de uma ordem de magnitude maior do que a dos eletrodos em polímeros que contêm nanopartículas dispersas aleatoriamente.

p Wardle e seus colegas, incluindo Qiming M. Zhang, professor de engenharia elétrica na Penn State, e o autor principal Sheng Liu, um dos alunos de pós-graduação de Zhang, demonstraram que os eletrodos de nanotubos de carbono alinhados podem melhorar o desempenho de íons em um atuador, o que significa que eles podem ser otimizados para aplicações como músculos artificiais e robôs.

p Os pesquisadores afirmam que os dispositivos podem ser usados ​​como coletores de energia por meio de um processo de conversão reversa. Há um enorme interesse no desenvolvimento de coletores de energia para aplicações em grande escala, como para criar energia elétrica a partir do movimento do vento ou das ondas do mar, Wardle diz. Os dispositivos também podem ser usados ​​para alimentar grandes redes de sensores microscópicos em áreas de difícil acesso, como tubulações subterrâneas.

p Criação composta

p O objetivo dos pesquisadores era projetar um composto que pudesse funcionar como um eletrodo superior. Ao aquecer o gás natural e expô-lo a um catalisador de metal, Wardle e vários de seus alunos de pós-graduação cultivaram os nanotubos de carbono eletricamente condutores e despejaram um polímero misturado em um solvente sobre eles. Uma vez que o solvente evaporou, deixou para trás um sólido, compósito iônico poroso contendo polímero e nanotubos de carbono. Os pesquisadores então usaram este composto para criar uma estrutura composta por uma camada de polímero puro (para atuar como um isolante) contendo íons positivos e negativos imprensados ​​entre duas camadas do composto feito de polímero e nanotubos de carbono (para atuar como eletrodos) .

p Para testar as habilidades do atuador da estrutura, os pesquisadores aplicaram um campo elétrico de baixa tensão. Esta tensão fez com que os íons fluíssem de uma camada de eletrodo para a outra, o que resultou em um lado da estrutura contendo mais íons. Este desequilíbrio de íons gerou pressão suficiente para fazer com que toda a estrutura se dobrasse, criando assim energia mecânica. O experimento também revelou que o projeto do eletrodo composto ajudou a minimizar a resistência elétrica.

p Os pesquisadores acreditam que o mesmo dispositivo poderia ser usado como um coletor de energia se for pressionado mecanicamente, como por meio de compressão. Isso porque a compressão faria com que os íons se movessem de forma diferente, o que causaria uma carga elétrica desequilibrada. Esse, por sua vez, criaria uma diferença de voltagem e produziria um fluxo de eletricidade.

p Otimizando design

p Yoseph Bar-Cohen, um cientista pesquisador sênior do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, diz que o estudo demonstra uma melhoria dos polímeros iônicos. Mas ele está curioso sobre a resposta do dispositivo em longos períodos de tempo, observando que o estudo atual foi limitado a apenas um experimento de 10 minutos.

p À medida que desenvolvem esses eletrodos, Wardle e seus colaboradores estão tentando determinar um design ideal. Agora que eles demonstraram como os nanotubos de carbono são eficazes para a eficiência do eletrodo, eles estão explorando certos detalhes que podem permitir um desempenho ideal, como o espaçamento entre os tubos minúsculos.

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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.