É ótimo no laboratório, mas vai realmente funcionar? Essa é a pergunta de um milhão de dólares perpetuamente dirigida aos pesquisadores de engenharia. Para uma família de nanomateriais em camadas, desenvolvido e estudado na Drexel University - e anunciado como o futuro do armazenamento de energia - a resposta é agora, sim.

Por algum tempo, pesquisadores têm trabalhado no uso de materiais bidimensionais, nanomateriais atomicamente finos, como componentes para um carregamento mais rápido, baterias e supercapacitores de maior duração. Mas o problema com as técnicas existentes para fazer isso é que quando a espessura da camada de material é aumentada para cerca de 100 mícrons - aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano, que é o padrão da indústria para dispositivos de armazenamento de energia - os materiais perdem sua funcionalidade.

Pesquisa publicada recentemente pela Drexel e pela Universidade da Pensilvânia, mostra uma nova técnica de manipulação de materiais bidimensionais que permite que eles sejam moldados em filmes de espessura praticamente utilizável, enquanto mantêm as propriedades que os tornam candidatos excepcionais para uso em eletrodos de supercapacitor.

O estudo, publicado no jornal Natureza , concentra-se no uso de materiais macios - semelhantes aos das telas de cristal líquido de telefones e televisores - como um guia para a automontagem de folhas MXene. MXenes, são uma classe de nanomateriais descobertos na Drexel em 2011, que são particularmente adequados para armazenamento de energia.

"Nosso método se baseia em um casamento entre a montagem de material macio e nanomateriais 2-D funcionais, "disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering, que foi coautor da pesquisa. "Os filmes de eletrodo resultantes mostram rápido transporte de íons, manuseio de taxas pendentes, e carga de armazenamento igual ou superior a eletrodos de carbono comerciais. "

Um canal aberto

De acordo com o co-autor Yu Xia, Ph.D., um pós-doutorado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn, o desafio de manter a densidade de energia (quanta energia os dispositivos podem armazenar) e densidade de potência (quão rápido o dispositivo pode carregar) de um material de armazenamento de carga está em manter canais claros para o movimento de íons conforme os materiais são escalados para tamanhos maiores.

"O problema de difusão de íons em dispositivos de armazenamento de energia, "Xia diz, "incluindo baterias e supercapacitores, tem sido reconhecido como um dos principais problemas que impedem o desenvolvimento industrial de novas baterias e supercapacitores com maior energia e densidade de potência. Convencionalmente, Os materiais 2-D pretendem empilhar uns sobre os outros, como folhas de papel em um livro, resultando em um comprimento de difusão de íons prolongado, que suprime seu desempenho quando a espessura do eletrodo se aproxima dos padrões industriais. "

O método da equipe evita esse problema de empilhamento, que inibe a difusão de íons, apoiando os flocos de MXene nos eletrodos verticalmente. No nível microscópico, pode parecer algo como palitos de dente em cima de uma massa estúpida. Além de fazer com que eles se alinhem verticalmente, sua orientação também pode ser ajustada movendo a base de material macio.

A fusão da montagem de matéria mole da equipe com materiais duros rendeu resultados promissores para o futuro do MXene como um material de armazenamento de energia.

"Eletrodos MXene preparados por este método mostram capacitância normalizada que é quase independente da espessura de até pelo menos 200 mícrons, o que não é o caso dos eletrodos montados convencionalmente, onde os flocos de MXene seriam alinhados paralelamente à superfície do eletrodo, "de acordo com Tyler Mathis, um aluno de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel e co-autor da pesquisa, que realizou todos os testes eletroquímicos dos materiais.

Stand and Deliver

Embora a "automontagem de matéria mole" - o processo pelo qual as moléculas dentro de um material se alinham em uma orientação que os pesquisadores podem manipular - exista desde a década de 1970, e agora é a força motriz por trás da televisão, telas de telefones e laptops, combiná-lo com materiais duros é um avanço significativo.

Embora alguns grupos de pesquisa tenham sido capazes de projetar o alinhamento vertical de materiais usando um processo de cima para baixo, essas rotas são difíceis de escalar para aplicações industriais.

“Nosso processo é por meio de automontagem, "disse Shu Yang, Ph.D., professor dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, e Engenharia Química e Biomolecular na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn e co-autor da pesquisa. “Portanto, é muito mais barato e pode ser escalonável em uma grande área. é o conceito de usar materiais macios com alinhamento interessante e ordenação através da montagem para alinhar materiais duros com nanoestruturas interessantes e funcionalidade que é o maior avanço. "

Para fazer com que o material 2-D seja submetido a este processo, os pesquisadores usaram um surfactante, que pode se espremer entre as camadas de MXene para ajudá-las a formar uma fase de cristal líquido. Os pesquisadores então aplicaram um método de cisalhamento mecânico a ele, o que forçou as moléculas a alinhar os filmes de MXene verticalmente. Os canais verticais permitem que os íons se movam, ou difusa - que é a chave para as propriedades do MXene - mesmo quando a espessura do material aumenta.

"Há muito conhecimento fundamental em cristais líquidos, "Yang disse." As pessoas pensam que é uma tecnologia antiga, mas continuamos redescobrindo que esse conhecimento é realmente muito útil e aplicável a novos materiais funcionais. "

Próximo na fila

Embora os pesquisadores reconheçam que existem outros desafios a superar antes que o método possa ser usado em dispositivos do mundo real, eles acreditam que suas descobertas proporcionam um empolgante salto à frente no campo. Os objetivos de longo prazo são aplicar o método ao supercapacitor e eletrodos de bateria para alimentar dispositivos eletrônicos móveis, carros elétricos, e uso em tecnologias de colheita de energia renovável.

"É um casamento perfeito entre a automontagem de matéria mole e os nanomateriais, "Diz Xia." Estamos fazendo um novo mundo com esses materiais 2-D que podem ser usados ​​em aplicações reais da indústria, combinando com o padrão da indústria e tentando fazer dele um dispositivo real. Depois de mais de uma década de trabalho em materiais 2-D, descobrimos uma maneira de ultrapassar uma das maiores barreiras à aplicação e, na verdade, estamos criando um sistema que é uma das maneiras mais plausíveis de levar esses materiais para a indústria. "