p O plano está nos olhos de quem vê. Quando você está falando sobre nanomateriais, Contudo, aquele olho é praticamente inútil, a menos que esteja olhando através de um microscópio eletrônico ou uma visualização de computador. No entanto, os buracos e cristas em uma superfície aparentemente plana - tão pequenos que são invisíveis sem essas ferramentas - podem dar ao material habilidades surpreendentes. O truque para pesquisadores interessados ​​em tirar proveito dessas habilidades está em compreender e, eventualmente, prever como a topografia microscópica de uma superfície pode se traduzir em tecnologias transformadoras. p Yury Gogotsi da Drexel University e seus colegas recentemente precisaram de uma visão do olho do átomo de um material supercapacitor promissor para classificar resultados experimentais que eram excitantes, mas pareciam ilógicos. Essa visão foi fornecida por uma equipe de pesquisa liderada pelos químicos computacionais Bobby Sumpter e Jingsong Huang do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e pelo físico computacional Vincent Meunier.

p A equipe de Gogotsi descobriu que você pode aumentar drasticamente a energia armazenada em um supercapacitor de carbono reduzindo os poros do material a um tamanho aparentemente impossível - aparentemente impossível porque os poros eram menores do que os portadores de carga elétrica cobertos por solvente que deveriam caber neles. A equipe publicou suas descobertas no jornal Ciência .

p O mistério não era simplesmente acadêmico. Capacitores são uma tecnologia importante que fornece energia mantendo uma carga elétrica. Eles têm várias vantagens sobre as baterias tradicionais - carregar e descarregar quase que instantaneamente e recarregar continuamente, quase indefinidamente, sem se desgastar, mas eles também têm desvantagens, o mais importante, eles retêm muito menos energia.

p Um capacitor elétrico de camada dupla, ou supercapacitor, representa um avanço na tecnologia que permite uma densidade de energia muito maior. Enquanto em capacitores tradicionais duas placas metálicas são separadas por um material não condutor conhecido como dielétrico, em um supercapacitor, um eletrólito é capaz de formar uma dupla camada elétrica com materiais de eletrodo que possuem áreas de superfície muito altas.

p Como tal, supercapacitores são capazes de alcançar o mesmo efeito dentro de um único material, como as propriedades do material dividem-no em camadas separadas com uma camada muito fina, limite não condutor. Porque eles podem abrir mão de uma camada dielétrica volumosa e fazer uso dos poros em nanoescala do carbono, os supercapacitores são capazes de armazenar muito mais energia do que seus equivalentes tradicionais em um determinado volume. Esta tecnologia pode ajudar a aumentar o valor das fontes de energia que são limpas, mas esporádico, distribuir a energia armazenada durante os períodos de inatividade, como a noite para uma célula solar ou dias calmos para uma turbina eólica.

p Portanto, a descoberta de Gogotsi foi potencialmente inovadora. A energia foi armazenada na forma de íons dentro de um eletrólito, com os íons rodeados por conchas de moléculas de solvente e empacotados nas superfícies de carbonos nanoporosos. Os pesquisadores conseguiram controlar o tamanho dos poros no material de carbono, tornando-os 0,7 a 2,7 nanômetros. O que eles descobriram foi que a energia armazenada no material disparou dramaticamente conforme os poros se tornaram menores do que um nanômetro, mesmo que os íons em suas conchas de solvatação não pudessem caber em espaços tão pequenos.

p "Era um mistério, "Sumpter disse." Muitas pessoas questionaram o resultado na época. No entanto, os dados experimentais mostraram um aumento incrível na capacitância. "

p Felizmente, era um mistério que a equipe ORNL poderia desvendar.

p "Achamos que este era um caso perfeito para modelagem computacional porque certamente poderíamos simular poros do tamanho de nanômetros, "Disse Sumpter." Tínhamos recursos de estrutura eletrônica que poderiam tratá-la bem, portanto, foi um problema muito bom para explorarmos. "

p Usando os supercomputadores Jaguar e Eugene do ORNL, Sumpter e sua equipe foram capazes de fazer uma análise em nanoescala da interação entre o íon e a superfície do carbono. Uma técnica computacional conhecida como teoria do funcional da densidade permitiu-lhes mostrar que o fenômeno observado por Gogotsi estava longe de ser impossível. Na verdade, eles descobriram que o íon sai facilmente de sua camada de solvatação e se ajusta ao poro em nanoescala.

p "Vai de tal forma que se dissolve na massa para entrar porque há potencial eletrostático e forças de van der Waals que o puxam para dentro, "Sumpter explicou." Há muitas forças diferentes envolvidas, mas na verdade é muito fácil entrar. "

p A equipe ORNL e colegas da Clemson University, Drexel University, e Georgia Tech detalhou suas descobertas em uma série de publicações, Incluindo Angewandte Chemie , Chemistry-A European Journal , ACS Nano , Journal of Chemical Physics C , Físico Química Física Química , Journal of Materials Research , e Nano Cartas .

p "Além disso, "Sumpter notou, "as saliências e saliências microscópicas em uma placa de carbono fazem uma diferença dramática na quantidade de energia que pode ser armazenada nela ou dentro dela.

p "Quando você chega à nanoescala, a área de superfície é enorme, e a curvatura, ambos côncavos e convexos, pode ser muito grande. Isso faz uma grande diferença na capacitância. Derivamos um modelo que explica todos os dados experimentais. Você pode recuar as peças do modelo a partir dos cálculos da estrutura eletrônica, e a partir desse modelo você pode prever a capacitância para diferentes tipos de formas curvas e tamanhos de poros. "

p Por exemplo, ele disse, os cálculos mostraram que os íons que carregam carga são armazenados não apenas por escorregarem para os poros, mas também fixando-se em montes no material.

p "É uma curvatura positiva em vez de uma curvatura negativa, "Sumpter disse, "e eles podem armazenar e liberar energia ainda mais rápido. Assim, você pode armazenar íons dentro de um buraco ou fora."

p Usando esses e outros insights obtidos por meio de simulação de supercomputador, a equipe do ORNL fez parceria com colegas da Rice University para desenvolver um supercapacitor funcional que usa folhas de carbono com a espessura de átomos.

p "Ele usa grafeno em um substrato e um eletrólito de gel de polímero, "Sumpter explicou, "para que você produza um dispositivo totalmente transparente e flexível. Você pode envolvê-lo com o dedo, mas ainda é um dispositivo de armazenamento de energia. Portanto, percorremos todo o caminho desde a modelagem de elétrons até a fabricação de um dispositivo funcional que você pode segurar na mão. "