Gel nanocristal versátil pode permitir avanços em energia, defesa e telecomunicações
Este gráfico mostra o material em seu estado gelificado (esquerda) e seu estado não gelificado (direita). Quando o material é aquecido (à direita), as ligações químicas entre os nanocristais se rompem e o gel se desfaz. Quando o material é resfriado (esquerda), ligações químicas se formam entre os nanocristais e eles se organizam em uma rede (o gel). Crédito:Kang, Valenzuela, et al./UT Austin
Novas aplicações em energia, defesa e telecomunicações podem receber um impulso depois que uma equipe da Universidade do Texas em Austin criou um novo tipo de "gel de nanocristais" - um gel composto de minúsculos nanocristais, cada um 10.000 vezes menor que a largura de um cabelo humano que estão ligados em uma rede organizada. O cerne da descoberta da equipe é que esse novo material é facilmente ajustável. Ou seja, ele pode ser alternado entre dois estados diferentes alterando a temperatura. Isso significa que o material pode funcionar como um filtro óptico, absorvendo diferentes frequências de luz, dependendo de estar em estado gelificado ou não. Assim, poderia ser usado, por exemplo, no exterior de edifícios para controlar o aquecimento ou arrefecimento dinamicamente. Esse tipo de filtro óptico também tem aplicações para defesa, principalmente para camuflagem térmica.
Os géis podem ser personalizados para essas aplicações amplas porque tanto os nanocristais quanto os ligantes moleculares que os conectam em redes são componentes de design. Os nanocristais podem ser ajustados quimicamente para serem úteis no roteamento de comunicações através de redes de fibra óptica ou manter a temperatura de naves espaciais estável em corpos planetários remotos. Os ligantes podem ser projetados para fazer com que os géis mudem com base na temperatura ambiente ou na detecção de toxinas ambientais.
"Você pode mudar a assinatura de calor aparente de um objeto alterando as propriedades infravermelhas de sua pele", disse Delia Milliron, professora e presidente do Departamento de Engenharia Química McKetta na Escola de Engenharia Cockrell. "Também pode ser útil para telecomunicações que usam comprimentos de onda infravermelhos." Este vídeo mostra a afinação do material com a mudança de temperatura. A amostra começa em seu estado não gelificado (rotulado 'dispersão'). À medida que o material é resfriado, o material começa a se transformar em um gel nanocristal (rotulado 'transição de sol para gel'), até que toda a amostra esteja na forma de gel. Em seguida, o calor é aplicado e o gel nanocristal se decompõe novamente. Crédito:Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin A nova pesquisa foi publicada na recente edição da revista Science Advances .
A equipe, liderada pelos estudantes de pós-graduação Jiho Kang e Stephanie Valenzuela, fez esse trabalho por meio do Centro de Dinâmica e Controle de Materiais da universidade, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation que reúne engenheiros e cientistas de todo o campus para colaborar em materiais pesquisa científica.
Os experimentos de laboratório permitiram que a equipe visse o material mudar para frente e para trás entre seus dois estados de gel e não-gel (ou seja, nanocristais flutuantes suspensos em líquido) que eles acionaram por mudanças específicas de temperatura.
Simulações de supercomputadores feitas no Texas Advanced Computing Center da UT os ajudaram a entender o que estava acontecendo no gel no nível microscópico quando o calor foi aplicado. Com base em teorias da química e da física, as simulações revelaram os tipos de ligações químicas que mantêm os nanocristais juntos em uma rede e como essas ligações se quebram quando atingidas pelo calor, fazendo com que o gel se desfaça. Esta simulação mostra 100 nanocristais a uma temperatura acima do limite de gelificação. Aqui, a maioria dos nanocristais permanece em um estado de fluxo livre sem grudar uns nos outros, chamado de dispersão. Crédito:Kang, Valenzuela, et al./UT Austin Este é o segundo gel de nanocristais exclusivo criado por essa equipe, e eles continuam buscando avanços nessa área. Kang está atualmente trabalhando para criar um gel nanocristal que pode mudar entre quatro estados, tornando-o ainda mais versátil e útil. Esse gel seria uma mistura de dois tipos diferentes de nanocristais, cada um capaz de alternar entre estados em resposta a sinais químicos ou mudanças de temperatura. Esses géis de nanocristais ajustáveis são chamados de materiais "programáveis". + Explorar mais
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